3.2 能量守恒定律及其应用、3.3 热力学第二定律 教学设计

《能量守恒定律及其应用》、《热力学第二定律》教学设计
教学目标：
理解能量守恒定律及其重要意义，知道第一类永动机不可能成功的原因；
通过对第一类永动机的讨论，培养尊重客观事实，按自然规律办事的科学态度。会用能量转化与守恒的观点分析解决有关问题；
了解自然界中宏观过程的方向性。体会热力学第二定律对人们认识自然、利用自然的重要指导意义；
了解热力学第二定律的两种不同表述，以及两种表述的物理本质。
教学重点：
能量守恒定律的理解；
热力学第二定律的两种不同表述。
教学难点：
热力学第二定律两种不同表述的物理实质
教学方法：
讨论与交流、练习、讲授。
课时安排：1课时
情境引入：
图片：自然界中的各种能量及各种形式能量之间的转化。
新课教学：
能量守恒定律
介绍科学家探索能量守恒的历程。
内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变。
2、意义：
（1）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
（2）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。
第一类永动机不可能制成
第一类永动机：不需要任何动力或燃料却能不断对外做功。
【思考问题】请利用热力学第一定律分析，为什么第一类永动机是不可能制成的？
第一类永动机失败的原因：违反能量守恒定律。
例题：一天，小程浏览到了一则关于“节能电热水器”的广告，对于广告中提到的“用一小时热水仅耗一度电”的宣传产生了怀疑，如何验证这则广告的真实性？你能用所学知识进行判断吗？[水的比热容约为4.2]
热传导的方向性
【思考问题】将一块烧红的铁块投入冷水中，会发生什么现象？会不会出现铁块温度更高，水的温度更低的情况？
热传到的方向性：热量从高温物体向低温物体的热传到过程是自发进行的。
要使热量从低温物体传递给高温物体，则必须借助外界的作用。
机械能和内能转化的方向性
情境：一个在水平地面上运动的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。
【思考问题】（1）此过程的能量转化情况是怎样的？
（2）能不能看到这样的现象：一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来。
总结：1、机械能和内能的转化过程是由方向性的；
2、机械能可以全部转化为内能，内能却无法全部用来做功以转化为机械能，而不产生其他影响。
第二类永动机：从单一热源吸收热量并全部用来做功，把它得到的内能全部转化为机械能，热机效率达到100%，这种想象中的热机被称为第二类永动机。
【讨论与交流】有人设想如图所示的装置（假设活塞与缸壁无摩擦），并提出“理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀，从而实现百分之百对外做功”。这引发了同学们的争论：有同学认为是可能实现的，有的同学则认为不可能。你赞同哪一种观点？为什么？
扩散的方向性
【思考问题】均匀混合的空气与溴气过一段时间会不会自发地变的界线分明？
热力学第二定律
自然界中一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。
热力学第二定律是反应不同的宏观过程的方向性的定律。
克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，或者说，不可能使热量由低温物体传递到高温物体。
开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他影响。
【思考问题】（1）电冰箱通电后箱内温度低于箱外温度，并且还会继续降温，直至达到设定的温度。显然这是热量从低温物体传递到了高温物体。这一现象是否违背热力学第二定律呢？
（2）在水平地面上滚动的足球，摩擦力做负功，其动能转化为内能，最终停了下来，同时产生的热量散失在周围的环境中。会不会有这样的现象：静止在水平地面上的足球和地面、周围的空气自发地降低温度释放内能，并将释放出的内能全部转化为足球的动能，让足球又滚动起来？
练习：1、一间密闭的房间里放置了一台电冰箱，为了使房间降温，有人出了一个主意，建议把冰箱接通电源，打开冰箱门，让冰箱的“冷气”进入房间中，房间就变冷了。这种方法可行吗？请说明道理。
2、为测算太阳射到地面的辐射能，某校科技实验小组的同学把一个横截面积是300 cm2的
矮圆筒的内壁涂黑，外壁用保温材料包裹，内装水0.6 kg。让阳光垂直圆筒口照射2 min后，
水的温度升高了1 ℃。请由此估算在阳光直射时地面上每平方米每分钟接收的太阳能量。水
的比热容c为4.2×103 J/（kg·℃）
课堂小结：
能量守恒定律：
热力学第二定律
克劳修斯表述：
开尔文表述：
课后作业：
完成练习册