第三章熱力學(xué)定律人教版選擇性必修第三冊（單元解讀）授課人：×××目錄CONTENTS1《課標》要求2學(xué)習(xí)目標3內(nèi)容分析4本單元教學(xué)重點與難點5教學(xué)策略01《課標》要求《課標》要求3.2.1知道熱力學(xué)第一定律。通過有關(guān)史實，了解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義。3.2.2理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現(xiàn)象。體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一?！墩n標》要求3.2.3通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律。02學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標節(jié)次學(xué)習(xí)目標第1節(jié)功、熱和內(nèi)能的改變物理觀念：能建立功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變的意識?？茖W(xué)思維：具有從物理學(xué)的角度觀察自然現(xiàn)象，將物理學(xué)與實際相聯(lián)系的思維方式，知道做功和傳熱是改變內(nèi)能的兩種方式?？茖W(xué)探究：探究焦耳的實驗，知道做功和傳熱的等效性?？茖W(xué)態(tài)度與責任：理解物理概念的建立的過程和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。第2節(jié)熱力學(xué)第一定律物理觀念∶知道熱力學(xué)第一定律及其符號法則，能從熱力學(xué)學(xué)的視角正確描述和解釋生活中的熱現(xiàn)象，能靈活應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解決實際問題?？茖W(xué)思維∶理解熱力學(xué)第一定律的公式，并能在新的生活情境中對問題進行分析和推理?？茖W(xué)探究：通過熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用，養(yǎng)成與他人合作探究的習(xí)慣，體驗科學(xué)家探究規(guī)律的艱辛與執(zhí)著。科學(xué)態(tài)度與責任∶從焦耳的實驗到熱力學(xué)第一定律，認識到我們應(yīng)該具有實事求是的態(tài)度，認識到物理學(xué)是人類認識自然的方式之一。學(xué)習(xí)目標節(jié)次學(xué)習(xí)目標第3節(jié)能量守恒定律物理觀念：知道能量守恒定律及永動機不可能制成?？茖W(xué)思維：能根據(jù)能量守恒定律解釋永動機不可能制成的原因。科學(xué)探究：通過能量守恒定律的應(yīng)用，養(yǎng)成與他人合作探究的習(xí)慣，體驗科學(xué)家探究規(guī)律的艱辛與執(zhí)著?？茖W(xué)態(tài)度與責任：學(xué)習(xí)科學(xué)家執(zhí)著探索的科學(xué)精神，實事求是的嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，培養(yǎng)探究科學(xué)的興趣。第4節(jié)熱力學(xué)第二定律物理觀念：知道傳熱、擴散現(xiàn)象、機械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，了解能量耗散和品質(zhì)降低的內(nèi)容，能解釋相關(guān)現(xiàn)象?？茖W(xué)思維：理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，學(xué)會用熱力學(xué)第二定律解釋自然界中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移及方向性問題，提高分析推理能力?？茖W(xué)探究：通過對熱機效率的探討，揭示熱機效率不能達到100%的實質(zhì)，學(xué)會與他人交流合作，提高探索科學(xué)的能力。科學(xué)態(tài)度與責任：學(xué)會科學(xué)家探索問題的方法，實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。03內(nèi)容分析內(nèi)容分析第1節(jié)本節(jié)內(nèi)容分為三個部分：一是焦耳的實驗；二是功與內(nèi)能的改變；三是熱與內(nèi)能的改變。本節(jié)內(nèi)容主要是為熱力學(xué)第一定律打下基礎(chǔ)。焦耳的實驗是熱力學(xué)定律的奠基性實驗，在物理學(xué)史上具有獨特的地位。本節(jié)從焦耳的實驗出發(fā)，介紹了在19世紀30年代焦耳所做的功與熱的等效性實驗。通過對實驗結(jié)論的深度歸納后，引入系統(tǒng)內(nèi)能的概念，最終得出做功與系統(tǒng)內(nèi)能變化之間的關(guān)系。本節(jié)在科學(xué)方法教育方面，教學(xué)中需要突出以下三點：一是強調(diào)焦耳的實驗中所運用的控制變量的思想方法；二是根據(jù)焦耳的實驗結(jié)果和功能關(guān)系，采用類比方法構(gòu)建內(nèi)能的宏觀定義；三是建立兩個表達式，即在絕熱條件下有△U=W,以及在不做功的條件下有△U=Q,這兩個結(jié)論是建立熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)。內(nèi)容分析第2節(jié)焦耳的實驗結(jié)果表明，在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時，只要始末狀態(tài)確定了，做功的數(shù)量或者傳熱的數(shù)量就是確定的。所以，當外界既對系統(tǒng)做功又對系統(tǒng)傳熱時，內(nèi)能的變化量就應(yīng)該滿足△U=W+Q,這就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式。教科書又通過實例對表達式中物理量取值正負的意義進行了討論。本節(jié)教學(xué)要注意兩個重點：一是在前一節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上運用綜合歸納的方法得出熱力學(xué)第一定律，所以，要注重歸納推理的方法教育；二是關(guān)于熱力學(xué)第一定律的三個物理量正、負符號選取的問題，明確各物理量正、負符號的物理含義，即應(yīng)該從系統(tǒng)分析的角度來確定其正、負符號。內(nèi)容分析第3節(jié)本節(jié)內(nèi)容分為三個部分：一是探索能量守恒的足跡；二是能量守恒定律；三是永動機不可能制成。本節(jié)的主要任務(wù)是認識能量和能量守恒觀念的發(fā)展歷史，理解能量守恒定律。能量守恒定律的探索歷史，內(nèi)容非常豐富，因此，教科書對這些探索歷史的內(nèi)容進行了歸類：第一部分是人類對能量的認識；第二部分是能量守恒觀念的形成。教學(xué)重點應(yīng)該突出兩個方面：一是科學(xué)家對能量概念的逐步認識過程；二是對能量的守恒思想的探索認識過程。而對永動機的教學(xué)要重視科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系，并能讓學(xué)生根據(jù)能量守恒定律理解永動機不可能制成的原因。內(nèi)容分析第4節(jié)熱力學(xué)第二定律是關(guān)于與熱運動有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)，闡明了過程進行的方向性。教科書通過實例闡述一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，引導(dǎo)學(xué)生完成對這一科學(xué)規(guī)律的認識。緊接著，教科書提出了熱力學(xué)第二定律的兩種表述：克勞修斯表述和開爾文表述。本節(jié)最后一部分內(nèi)容闡述了能量與能源概念的區(qū)別，并指出了雖然能量是守恒的，但能源是有限的。04本單元教學(xué)重點與難點本單元教學(xué)重點與難點教學(xué)重點1、功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變。2、熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)與運用。3、學(xué)會用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點分析物理現(xiàn)象，用能量守恒定律進行有關(guān)計算，分析、解決有關(guān)問題。4、熱力學(xué)第二定律的兩種常見表述。教學(xué)難點1、內(nèi)能概念的建立，功與內(nèi)能的改變，熱與內(nèi)能的改變。2、運用熱力學(xué)第一定律公式時各物理量的正、負號的意義及確定。3、用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點分析物理現(xiàn)象，如何綜合運用學(xué)過的知識，用能量守恒定律進行有關(guān)計算，分析、解決有關(guān)問題。4、熱力學(xué)第二定律的開爾文表述。05教學(xué)策略教學(xué)策略1.從微觀、宏觀視角認識“內(nèi)能”,深化對內(nèi)能概念的認識學(xué)生對內(nèi)能的概念并不陌生，在初中物理已經(jīng)學(xué)習(xí)過內(nèi)能的概念。初中教科書把內(nèi)能界定為“構(gòu)成物體的所有分子，其熱運動的動能與分子勢能的總和”。在本冊書第一章中我們又對分子動理論作了比較深入的探討，特別是關(guān)于分子動能和分子勢能的探討，為內(nèi)能的概念提供了微觀解釋。本章內(nèi)能概念的引入來源于焦耳實驗的研究成果。焦耳研究功與熱等效性的許多實驗都表明，在各種不同的絕熱過程中，如果使系統(tǒng)從某一狀態(tài)變?yōu)榱硪粻顟B(tài)，外界對系統(tǒng)做的功僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，而與做功的方式無關(guān)。那么,必定存在一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，這個物理量的變化與做功的多少相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，教科書通過與重力勢能概念引入的方法相類比，引出內(nèi)能的概念，從宏觀角度界定了內(nèi)能的概念，讓學(xué)生認識到內(nèi)能是由系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)決定的一種能量。在此，我們需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會遵循一定的邏輯關(guān)系認識內(nèi)能的概念。這樣做的目的是讓學(xué)生形成理性思維的習(xí)慣，感悟到內(nèi)能的定義是有根據(jù)的，培養(yǎng)科學(xué)思維中推理、論證的能力。教學(xué)策略2.突出熱力學(xué)第一定律的實驗基礎(chǔ)，展示科學(xué)探究過程在19世紀中葉，能量守恒定律、熱力學(xué)第一定律都還沒有建立，內(nèi)能的概念也不清楚，但是這些思想已經(jīng)開始萌發(fā)。焦耳提出猜想，并通過實驗定量地證實了這個猜想。焦耳測定做功與傳熱關(guān)系的實驗在物理學(xué)史上具有里程碑的意義，它是熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律重要的實驗基礎(chǔ)。教科書以焦耳的兩個典型實驗為線索，通過大量的實驗歸納，給出熱力學(xué)系統(tǒng)中的功與能的關(guān)系和熱與能的關(guān)系。其中，關(guān)于焦耳實驗的內(nèi)容體現(xiàn)了科學(xué)探究的特點，是科學(xué)教育的好素材。教科書編寫的邏輯線索如下：教學(xué)策略我們知道，在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能會增加；系統(tǒng)對外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能會減少。用公式表示即為△U=W(熱力學(xué)第一定律的重要組成部分)。這是在焦耳實驗的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的科學(xué)事實。焦耳的一系列實驗為熱力學(xué)第一定律以及更加廣義的能量守恒定律奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。教學(xué)策略3.探索能量守恒的足跡，強化能量觀及其對科學(xué)態(tài)度的滲透能量守恒定律是人類在長期的研究和實踐中總結(jié)出來的，是19世紀的重大發(fā)現(xiàn)之一。半個多世紀，人類對能量及其守恒定律的研究，見證了人類認識自然、探索科學(xué)的過程。對此，教科書從以下三個方面闡述人類認識能量守恒定律的足跡。第一，闡述能量觀念的形成過程和守恒觀念的發(fā)展過程。教科書編寫的邏輯線索如下。首先，介紹人類對能量的認識。教科書闡述了人們在研究過程中透過各種自然現(xiàn)象，對其本質(zhì)特征“能量”的認識過程。從倫福德的實驗表明熱的本質(zhì)是運動、奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)、塞貝克發(fā)現(xiàn)溫差電現(xiàn)象到法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，反映了各種運動現(xiàn)象背后的能量和能量轉(zhuǎn)化。雖然運動現(xiàn)象各異，但它們有其共同的描述量——“能量”?？茖W(xué)家對各種自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的認識是逐步發(fā)展起來的。教學(xué)策略其次，介紹能量守恒觀念的形成。人類對能量的認識過程，體現(xiàn)了科學(xué)家對“守恒”思想的追尋。人類對能量守恒的認識經(jīng)歷了一個由淺入深、由含糊到清晰的過程，教科書列舉了最具代表性的幾個史例來加以說明。其中，焦耳的實驗為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎(chǔ)，也為其向定量描述邁出了重要的一步。第二，闡述能量守恒定律的表述及其意義。教科書一方面強調(diào)能量的轉(zhuǎn)化和守恒；另一方面也告訴我們，在能量守恒定律建立后，仍然有能量“不守恒”的假象，這就會引起科學(xué)上新的發(fā)現(xiàn)，因為在這種“不守恒”的假象背后，必定存在沒有被我們發(fā)現(xiàn)的事實或規(guī)律。第三，闡述永動機不可能制成。教科書通過列舉“飲水小鴨”的實例，闡明永動機的思想違背能量守恒定律。所以，它是不可能制成的。這是一個歷史探索的過程，既反映了人類科學(xué)探索的艱辛，又反映了科學(xué)探索中理論總結(jié)的重要性。任何制造永動機的嘗試都失敗了，這也警醒人們要更深層次地考慮問題。從某種意義上說，這也促進了能量守恒定律的建立，為科學(xué)探索的成功奠定了基礎(chǔ)。這對學(xué)生體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，具有十分重要的教育價值。教學(xué)策略4.探討宏觀自然過程的方向性，加強學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)在物理學(xué)中，反映宏觀自然過程的方向性的定律是熱力學(xué)第二定律。它主要描述能量轉(zhuǎn)化的方向性問題。這個規(guī)律可以從宏觀或微觀角度進行探討。根據(jù)課程標準的要求，教科書重點采用實驗事實歸納的方法得出熱力學(xué)第二定律。隨后，圍繞熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述展開討論。具體編寫的邏輯線索如下。第一，列舉具體的不可逆過程的實例，闡明一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，幫助學(xué)生完成對該科學(xué)過程的分析歸納，加強思維認識過程的培養(yǎng)。教學(xué)策略第二，克勞修斯表述闡述了傳熱的方向性。相對而言，克勞修斯表述比較容易理解，原因在于這個表述的基礎(chǔ)是學(xué)生習(xí)以為常的事實。教科書通過電冰箱的反例，說明“第三者影響”的存在，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會“自發(fā)”的物理意義。第三，開爾文表述闡述了機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。這個問題不僅在物理學(xué)中很重要，在日常生活中也很常見。機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無法全部用來做功以轉(zhuǎn)化為機械能。考慮到開爾文表述的事實基礎(chǔ)和理論分析對學(xué)生來說較難理解，教科書只好簡單處理。教學(xué)中不宜要求過高。另外，關(guān)于熱力學(xué)第二定律的微觀解釋，課程標準沒有要求。因此，我們將熵與熵增加原理的內(nèi)容調(diào)整到了“拓展學(xué)習(xí)”欄目之中，以供學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)。教學(xué)策略5.注重熱學(xué)基礎(chǔ)知識體系的建構(gòu)熱學(xué)知識與人們的日常生活聯(lián)系非常緊密，在生產(chǎn)、生活和科學(xué)實踐等方面都有重要的應(yīng)用。在遠古時代，人類的祖先發(fā)現(xiàn)了火、使用了火，從而開創(chuàng)了人類文明的歷史；在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代，各種熱機和制冷設(shè)備的研制，化工、冶金、氣象的研究，都離不開熱學(xué)知識。教科書前三章內(nèi)容的選取和設(shè)計緊密圍繞熱學(xué)體系的建構(gòu)而展開。從科學(xué)史上來看，熱學(xué)體系的建構(gòu)是從兩條途徑進行的。一條途徑是從宏觀上，建立溫度、熱量和內(nèi)能等概念，并根據(jù)大量實驗事實總結(jié)出關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論——熱力學(xué)，熱力學(xué)的核心內(nèi)容是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。另一條途徑是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以微觀粒子遵循的規(guī)律為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計方法導(dǎo)出宏觀的熱學(xué)規(guī)律，這樣形成的理論稱為統(tǒng)計物理學(xué)或統(tǒng)計力學(xué)。統(tǒng)計力學(xué)在近代物理各個領(lǐng)域都起著極其重要的作用，它能夠讓我們了解