2024-2025学年高中物理 第10章 热力学定律 5 热力学第二定律的微观解释教学实录3 新人教版选修3-3

2024-2025学年高中物理第10章热力学定律5热力学第二定律的微观解释教学实录3新人教版选修3-3主备人备课成员课程基本信息1.课程名称：高中物理选修3-3第10章热力学定律5热力学第二定律的微观解释教学实录3

2.教学年级和班级：高三年级3班

3.授课时间：2024年11月5日第3节课

4.教学时数：1课时核心素养目标1.培养学生的科学思维，通过热力学第二定律的微观解释，让学生理解能量转化与守恒的内在逻辑。

2.提升学生的科学探究能力，通过实验和理论分析，让学生学会从微观角度探究宏观热力学现象。

3.增强学生的科学态度与责任，让学生认识到自然规律的可信性，激发学生对科学真理的追求。

4.促进学生的科学、技术、社会、环境（STSE）意识，引导学生关注热力学定律在实际应用中的意义和价值。教学难点与重点1.教学重点：

-理解热力学第二定律的微观表述，即熵增原理。

-掌握熵的概念及其与系统无序度的关系。

-分析热力学第二定律在宏观和微观层面的应用，如理想气体等温膨胀和等温压缩过程中的熵变。

2.教学难点：

-熵增原理的微观解释，学生可能难以理解熵作为无序度的量度如何与微观状态数相关。

-熵变的计算，特别是在涉及复杂系统时，如何应用公式和概念进行计算。

-热力学第二定律在不同热力学过程中的具体应用，如卡诺循环、热泵和制冷机，学生需要理解这些设备如何违反或符合热力学第二定律。

-理解热力学第二定律与信息论之间的联系，这是对学生的抽象思维能力要求较高的一部分。学具准备Xxx课型新授课教法学法讲授法课时第一课时师生互动设计二次备课教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：通过系统的讲解，帮助学生构建热力学第二定律的微观解释的理论框架。

2.讨论法：组织学生分组讨论熵的概念和熵变计算，培养学生的批判性思维和合作能力。

3.实验法：利用虚拟实验软件，让学生通过模拟实验加深对熵增原理的理解。

教学手段：

1.多媒体课件：制作包含图表、动画和视频的多媒体课件，直观展示热力学过程。

2.网络资源：利用网络资源，如在线视频和互动平台，拓展学生的知识视野。

3.教学软件：运用教学软件进行仿真实验，让学生亲身体验热力学第二定律的应用。教学过程一、导入新课

（老师）同学们，我们之前学习了热力学第一定律，了解了能量守恒的概念。今天，我们将继续探索热力学领域，揭开热力学第二定律的神秘面纱。请大家回忆一下，热力学第一定律是如何描述能量转化的？

（学生）热力学第一定律告诉我们，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式。

（老师）很好，那么，今天我们要探讨的热力学第二定律，又是如何描述能量转化和守恒的呢？请大家带着这个问题，翻开课本第XX页，我们一起开始今天的探索。

二、新课讲解

1.热力学第二定律的微观表述

（老师）同学们，热力学第二定律可以从微观和宏观两个方面来描述。我们先从微观角度来探讨。

（学生）老师，什么是熵呢？

（老师）熵是衡量系统无序程度的物理量，熵越大，系统越无序。热力学第二定律的微观表述是：一个孤立系统的熵总是趋于增大。

（学生）哦，我明白了，这就是说，孤立系统会自发地从有序状态向无序状态转变。

（老师）是的，接下来，我们来看一个例子。假设有一个由大量分子组成的理想气体，在没有外力作用下，气体分子会从高浓度区域向低浓度区域扩散，这个过程就是熵增的过程。

2.熵变计算

（老师）同学们，我们知道了熵增原理，那么，如何计算熵变呢？

（学生）老师，熵变是指系统熵的变化量，对吧？

（老师）没错，熵变可以用公式ΔS=Q/T来计算，其中ΔS表示熵变，Q表示系统吸收的热量，T表示绝对温度。

（老师）下面，我们来计算一个简单的例子。假设一个物体吸收了100J的热量，温度从300K升高到400K，那么这个物体的熵变是多少？

（学生）ΔS=Q/T=100J/400K=0.25J/K。

（老师）很好，大家计算得非常准确。接下来，我们来看一个更复杂的例子。

3.热力学第二定律在宏观层面的应用

（老师）同学们，热力学第二定律在宏观层面有很多应用，比如卡诺循环、热泵和制冷机。

（学生）老师，什么是卡诺循环？

（老师）卡诺循环是一种理想的热机循环，它由四个过程组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。

（老师）接下来，我们来分析一下卡诺循环。首先，我们需要知道卡诺循环的效率公式：η=1-Tc/Th，其中η表示效率，Tc表示冷库温度，Th表示热库温度。

（学生）老师，卡诺循环的效率为什么总是小于1呢？

（老师）这是因为热力学第二定律告诉我们，任何热机都不能完全将热量转化为做功，总有一部分热量会散失。

（老师）那么，如何提高热机的效率呢？我们可以从两个方面入手：一是提高热库温度，二是降低冷库温度。

（学生）哦，我明白了，提高热库温度可以增加热机输出的功，降低冷库温度可以减少热量的散失。

三、课堂练习

（老师）同学们，下面我们来做一些课堂练习，巩固今天所学的知识。

1.计算一个物体吸收了200J的热量，温度从400K升高到500K，求这个物体的熵变。

2.一个热机的效率为30%，冷库温度为270K，求热库温度。

3.一个热泵的制冷量为2000W，冷库温度为-10℃，求热泵的功率。

四、课堂小结

（老师）同学们，今天我们学习了热力学第二定律的微观解释，了解了熵的概念和熵变计算，以及热力学第二定律在宏观层面的应用。希望大家能够通过今天的课堂学习，对热力学第二定律有更深入的理解。

（学生）谢谢老师，我们一定会努力学习的。

五、布置作业

1.复习课本第XX页至XX页，理解热力学第二定律的微观和宏观表述。

2.完成课本中的相关习题，巩固所学知识。

六、课后拓展

1.查阅资料，了解热力学第二定律在实际生活中的应用。

2.思考：如何将热力学第二定律应用于解决实际问题？

（老师）同学们，今天的课程就到这里，希望大家能够把所学知识运用到实际生活中，不断提高自己的科学素养。下课！教学资源拓展1.拓展资源：

-熵的概念在信息论中的应用：介绍香农熵的概念，以及它与热力学熵的关系，探讨信息熵在通信系统中的作用。

-熵与生命科学：讨论生物体内部的熵变，以及熵在生物进化中的作用，如生物体如何通过熵减来维持有序状态。

-热力学第二定律与环境保护：分析热力学第二定律在环境保护中的重要性，例如，能量转换效率与温室气体排放的关系。

-熵与经济学：探讨熵在经济系统中的应用，如市场的不确定性和经济活动的无序性。

2.拓展建议：

-阅读相关科普书籍或文章，如《熵：一种新的世界观》等，以加深对熵概念的理解。

-通过在线课程或视频讲座，如KhanAcademy的物理课程，学习熵和热力学第二定律的更深入内容。

-参与学校或社区的科学讲座，了解熵和热力学第二定律在现实世界中的应用案例。

-设计简单的实验，如测量不同物质的热容量和熵变，以直观感受熵的概念。

-分析日常生活中的热力学现象，如冰箱的工作原理，探讨其与热力学第二定律的关系。

-通过小组讨论或项目研究，探讨熵在某个特定领域（如环境科学、信息科学）中的应用，撰写研究报告。

-参加科学竞赛或辩论赛，就熵和热力学第二定律的某个主题进行深入研究和辩论。

-阅读物理学史，了解熵和热力学第二定律的发展历程，以及科学家们在研究这些概念时的创新思维。教学反思与总结今天这节课，我们探讨了热力学第二定律的微观解释，同学们表现得都很积极，课堂气氛活跃。现在，我想对这节课的教学过程进行一些反思和总结。

首先，我觉得在教学方法上，我采用了讲授法、讨论法和实验法相结合的方式。通过讲授法，我系统地讲解了熵的概念和熵变计算，帮助学生建立了理论框架。讨论法则激发了学生的思考，让他们在交流中碰撞出新的火花。实验法通过虚拟实验软件，让学生亲身体验熵增原理，加深了他们的理解。

在教学过程中，我发现了一些问题。比如，在讲解熵的微观解释时，有些学生表示难以理解。这让我意识到，在今后的教学中，我需要更加注重对复杂概念的解释，采用更加生动形象的教学方法，如类比、实例分析等，帮助学生更好地理解。

此外，我还发现，在课堂练习环节，部分学生对熵变的计算感到吃力。这说明我在讲解熵变计算时，可能没有做到足够细致。在今后的教学中，我将更加注重对公式的推导过程和计算方法的讲解，让学生能够熟练掌握。

在教学总结方面，我认为这节课取得了一定的成效。同学们对热力学第二定律的微观解释有了更深入的理解，能够运用所学知识分析实际问题。在情感态度方面，同学们表现出了对科学探究的热情和好奇心。

当然，也存在一些不足之处。比如，课堂时间有限，有些内容讲解得不够深入；部分学生对实验操作不够熟练，需要加强实践环节。针对这些问题，我提出以下改进措施：

1.在今后的教学中，我将更加注重对复杂概念的解释，采用多种教学方法，如类比、实例分析、图示等，帮助学生更好地理解。

2.增加课堂练习的时间，让学生有更多机会进行实践操作，提高他们的动手能力。

3.结合实际案例，引导学生将所学知识应用于解决实际问题，培养他们的创新思维和解决问题的能力。

4.加强与学生的互动，关注他们的学习需求，及时调整教学策略，提高教学效果。课堂小结，当堂检测课堂小结：

今天我们学习了热力学第二定律的微观解释，这是一个非常重要的概念。通过这节课的学习，我们了解了熵的概念，它是衡量系统无序程度的物理量。熵增原理告诉我们，一个孤立系统的熵总是趋于增大，这意味着系统会自发地从有序状态向无序状态转变。

在宏观层面，热力学第二定律体现在卡诺循环等理想热机的工作原理中。我们讨论了卡诺循环的效率，以及如何通过提高热库温度和降低冷库温度来提高热机的效率。

当堂检测：

1.熵增原理是什么？请用简洁的语言描述。

2.举例说明熵在生活中的应用。

3.解释卡诺循环的四个过程，并说明其效率公式。

4.如果一个热机的效率为40%，冷库温度为-20℃，求热库温度。

5.简述热力学第二定律与环境保护的关系。

检测答案：

1.熵增原理：一个孤立系统的熵总是趋于增大，自发地从有序状态向无序状态转变。

2.例子：冰箱在工作过程中，通过制冷剂的循环，将内部的热量转移到外部，使内部熵减少，外部熵增加。

3.卡诺循环的四个过程：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。效率公式：η=1-Tc/Th，其中η表示效率，Tc表示冷库温度，Th表示热库温度。

4.热库温度=Tc/(1-η)=-20℃/(1-0.4)=-33.33℃。

5.热力学第二定律与环境保护的关系：热力学第二定律揭示了能量转化和守恒的规律，对于能源的开发和利用、环境保护具有重要意义。课后作业1.作业内容：

-计算一个物体吸收了150J的热量，温度从350K升高到450K，求这个物体的熵变。

答案：ΔS=Q/T=150J/450K=0.33J/K

2.作业内容：

-一个热机的效率为50%，热库温度为500K，求冷库温度。

答案：η=1-Tc/Th，Tc=Th-η*Th=500K-0.5*500K=250K

3.作业内容：

-一个理想气体在等温膨胀过程中，体积从2升增加到4升，温度保持不变，求气体的熵变。

答案：ΔS=nRln(V2/V1)，其中n为气体的摩尔数，R为气体常数，V1和V2分别为初始和最终体积。假设n=1摩尔，R=8.314J/(mol·K)，则ΔS=8.314*ln(4/2)=8.314*ln(2)≈5.76J/K

4.作业内容：

-一个系统从初始状态A（温度为300K，熵为2J/K）经过一个不可逆过程到达最终状态B，系统的熵变为-1J/K。请描述系统从A到B的过程，并说明该过程是否违反了热力学第二定律。

答案：系统从A到B的过程可能是一个等温膨胀过程，其中系统对外做功，同时吸收热量。由于熵变为负值，说明系统在不可逆过程中熵减少了，这违反了热力学第二定律。

5.作业内容：

-一个热泵在制冷过程中，从室内吸收了1000J的热量，同时消耗了200J的功。求热泵的制冷效率。

答案：制冷效率=(吸收的热量-消耗的功)/消耗的功=(1000J-200J)/200J=5

6.作业内容：

-一个热力学系统由两个部分组成，第一部分是一个理想气体，第二部分是一个理想晶体。系统的总熵在等温过程中从S1增加到S2。请分析熵的增加可能发生在哪个部分，并解释原因。

答案：熵的增加可能发生在理想气体部分。因为理想气体的熵与温度和体积有关，而在等温过程中，如果体积增加，气体的熵会增加。理想晶体的熵变化通常较小，除非发生相变。

7.作业内容：

-一个热力学系统由一个理想气体和一个理想晶体组成。系统的总熵在绝热过程中从S1减少到S2。请分析熵的减少可能发生在哪个部分，并解释原因。

答案：熵的减少可能发生在理想晶