資源簡(jiǎn)介

(共26張PPT)
第三章 熱力學(xué)定律
人教版 選擇性必修第三冊(cè)
（單元解讀）
目錄
CONTENTS
1
《課標(biāo)》要求
2
學(xué)習(xí)目標(biāo)
3
內(nèi)容分析
4
本單元教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)
5
教學(xué)策略
01
《課標(biāo)》要求
《課標(biāo)》要求
3.2.1知道熱力學(xué)第一定律。通過有關(guān)史實(shí)，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(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)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(diǎn)解釋自然現(xiàn)象。體會(huì)能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一 。
《課標(biāo)》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(biāo)
學(xué)習(xí)目標(biāo)
節(jié)次 學(xué)習(xí)目標(biāo)
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(shí)。
科學(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(shí)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。
科學(xué)探究：探究焦耳的實(shí)驗(yàn)，知道做功和傳熱的等效性。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)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(hào)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(shí)際問題。
科學(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(duì)問題進(jìn)行分析和推理。
科學(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(yàn)科學(xué)家探究規(guī)律的艱辛與執(zhí)著。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶從焦耳的實(shí)驗(yàn)到熱力學(xué)第一定律，認(rèn)識(shí)到我們應(yīng)該具有實(shí)事求是的態(tài)度，認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的方式之一。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
節(jié)次 學(xué)習(xí)目標(biāo)
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(dòng)機(jī)不可能制成。
科學(xué)思維：能根據(jù)能量守恒定律解釋永動(dòng)機(jī)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(yàn)科學(xué)家探究規(guī)律的艱辛與執(zhí)著。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)習(xí)科學(xué)家執(zhí)著探索的科學(xué)精神，實(shí)事求是的嚴(yán)謹(jǐn)?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(kuò)散現(xiàn)象、機(jī)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。
科學(xué)思維：理解熱力學(xué)第二定律的兩種表述，學(xué)會(huì)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。
科學(xué)探究：通過對(duì)熱機(jī)效率的探討，揭示熱機(jī)效率不能達(dá)到100%的實(shí)質(zhì)，學(xué)會(huì)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(zé)任：學(xué)會(huì)科學(xué)家探索問題的方法，實(shí)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(gè)部分： 一是焦耳的實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)是熱力學(xué)定律的奠基性實(shí)驗(yàn)，在物理學(xué)史 上具有獨(dú)特的地位。本節(jié)從焦耳的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，介紹了在19世紀(jì)30年代焦耳所做的功與熱的等效 性實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)： 一是強(qiáng)調(diào)焦耳的實(shí)驗(yàn)中所運(yùn)用的控制 變量的思想方法；二是根據(jù)焦耳的實(shí)驗(yàn)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(gè)表達(dá)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，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(dāng)外界既對(duì)系統(tǒng)做功又對(duì)系統(tǒng)傳熱時(shí)，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(dá)式。教科書又通過實(shí)例對(duì)表達(dá)式中物理量取值正 負(fù)的意義進(jìn)行了討論。
本節(jié)教學(xué)要注意兩個(gè)重點(diǎn)： 一是在前一節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上運(yùn)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(gè)物理量正、負(fù)符號(hào)選取的 問題，明確各物理量正、負(fù)符號(hào)的物理含義，即應(yīng)該從系統(tǒng)分析的角度來(lái)確定其正、負(fù)符號(hào)。
內(nèi)容分析
第3節(jié)
本節(jié)內(nèi)容分為三個(gè)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(dòng)機(jī)不可能 制成。本節(jié)的主要任務(wù)是認(rèn)識(shí)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(duì)這些探索歷史的內(nèi)容進(jìn)行了歸類：第一部分是人 類對(duì)能量的認(rèn)識(shí)；第二部分是能量守恒觀念的形成。教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該突出兩個(gè)方面： 一是科學(xué)家對(duì)能量概念的逐步認(rèn)識(shí)過程；二是對(duì)能量的守恒思想的探索認(rèn)識(shí)過程。而對(duì)永動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理過程、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，闡明 了過程進(jìn)行的方向性。教科書通過實(shí)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(duì)這一科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。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(diǎn)與難點(diǎn)
本單元教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)
教學(xué) 重點(diǎn) 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(yùn)用。
3、學(xué)會(huì)用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象，用能量守恒定律進(jìn)行有關(guān)計(jì)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(diǎn) 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(yùn)用熱力學(xué)第一定律公式時(shí)各物理量的正、負(fù)號(hào)的意義及確定。
3、用能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象，如何綜合運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，用能量守恒定律進(jìn)行有關(guān)計(jì)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(rèn)識(shí)“內(nèi)能”, 深化對(duì)內(nèi)能概念的認(rèn)識(shí)
學(xué)生對(duì)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和”。在本冊(cè)書第一章中我們又對(duì)分子動(dòng) 理論作了比較深入的探討，特別是關(guān)于分子動(dòng)能和分子勢(shì)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(lái)源于焦耳實(shí)驗(yàn)的研究成果。焦耳研究功與熱等效性的許多實(shí)驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)做的功僅由過 程的始末兩個(gè)狀態(tài)決定，而與做功的方式無(wú)關(guān)。那么,必定存在一個(gè)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，這 個(gè)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(shì)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(rèn)識(shí)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(huì)遵循一定的邏輯關(guān)系認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)， 展示科學(xué)探究過程
在19世紀(jì)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(shí)驗(yàn)定量地證實(shí)了這個(gè)猜想。焦耳測(cè)定做功與 傳熱關(guān)系的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
教科書以焦耳的兩個(gè)典型實(shí)驗(yàn)為線索，通過大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的內(nèi)容體現(xiàn)了科學(xué)探究的特點(diǎn)，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(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能會(huì)增加；系統(tǒng)對(duì)外做 功，系統(tǒng)的內(nèi)能會(huì)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的科學(xué)事實(shí)。焦耳的一系列實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
教學(xué)策略
3. 探索能量守恒的足跡，強(qiáng)化能量觀及其對(duì)科學(xué)態(tài)度的滲透
能量守恒定律是人類在長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)之一。半個(gè)多世紀(jì)，人類對(duì)能量及其守恒定律的研究，見證了人類認(rèn)識(shí)自然、探索科學(xué)的過程。對(duì)此，教科書從以下三個(gè)方面闡述人類認(rèn)識(shí)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(duì)能量的認(rèn)識(shí)。教科書闡述了人們?cè)谘芯窟^程中透過各種自然現(xiàn)象，對(duì)其本 質(zhì)特征“能量”的認(rèn)識(shí)過程。從倫福德的實(shí)驗(yàn)表明熱的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)現(xiàn)象背后的能量和能量轉(zhuǎn) 化。雖然運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象各異，但它們有其共同的描述量——“能量”。科學(xué)家對(duì)各種自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)是逐步發(fā)展起來(lái)的。
教學(xué)策略
其次，介紹能量守恒觀念的形成。人類對(duì)能量的認(rèn)識(shí)過程，體現(xiàn)了科學(xué)家對(duì)“守恒”思想的 追尋。人類對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)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(gè)史例來(lái)加以說(shuō)明。其中，焦耳的實(shí)驗(yàn)為能量守恒定律奠定了牢固的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(huì)引起科學(xué)上新的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵谶@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(shí)或規(guī)律。
第三，闡述永動(dòng)機(jī)不可能制成。教科書通過列舉“飲水小鴨”的實(shí)例，闡明永動(dòng)機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)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(shuō)，這也促進(jìn)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(duì)學(xué)生體會(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，具有十分重要的教育價(jià)值。
教學(xué)策略
4. 探討宏觀自然過程的方向性， 加強(qiáng)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(gè)規(guī)律可以從宏觀或微觀角度進(jìn)行探討。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，教科書重點(diǎn)采用 實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shí)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(duì)該科學(xué)過程的分析歸納，加強(qiáng)思維認(rèn)識(shí)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(duì)而言，克勞修斯表述比較容易理解，原因在 于這個(gè)表述的基礎(chǔ)是學(xué)生習(xí)以為常的事實(shí)。教科書通過電冰箱的反例，說(shuō)明“第三者影響”的存在，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)“自發(fā)”的物理意義。
第三，開爾文表述闡述了機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性。這個(gè)問題不僅在物理學(xué)中很重要，在 日常生活中也很常見。機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能無(wú)法全部用來(lái)做功以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 考慮到開爾文表述的事實(shí)基礎(chǔ)和理論分析對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)較難理解，教科書只好簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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?zé)釋W(xué)基礎(chǔ)知識(shí)體系的建構(gòu)
熱學(xué)知識(shí)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(shí)踐等方面都有重要的應(yīng)用。在遠(yuǎn)古時(shí)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(jī)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(shí)。
教科書前三章內(nèi)容的選取和設(shè)計(jì)緊密圍繞熱學(xué)體系的建構(gòu)而展開。從科學(xué)史上來(lái)看，熱學(xué)體系的建構(gòu)是從兩條途徑進(jìn)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(shí)驗(yàn)事實(shí)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(jì)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(jì)物理學(xué)或統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)在近代物理各個(gè)領(lǐng)域都起著極其重要的作用，它能夠讓我們了解物質(zhì)的宏觀性質(zhì)和微觀因素的關(guān)系。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)一起，構(gòu)成了現(xiàn)代熱學(xué)的科學(xué)體系。
教學(xué)策略
6.課時(shí)分配建議
第1節(jié) 功、熱和內(nèi)能的改變 1課時(shí)
第2節(jié) 熱力學(xué)第一定律 1課時(shí)
第3節(jié) 能量守恒定律 1課時(shí)
第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律 1課時(shí)
謝謝觀看
THANK YOU FOR WATCHING

展開更多......

收起↑