高中物理 10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋教案 新人教版選修3-3

《高中物理 10.5熱力學(xué)第二定律的微觀解釋教案 新人教版選修3-3》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、第五節(jié)熱力學(xué)第二定律的微觀解釋教學(xué)目標：（一）知識與技能了解熱力學(xué)第二定律的微觀意義。（二）過程與方法通過對微觀狀態(tài)和宏觀狀態(tài)的分析，理解熵的意義。（三）情感、態(tài)度與價值觀通過對熱力學(xué)第二定律微觀意義的探究，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的動力。教學(xué)重點：熱力學(xué)第二定律的微觀意義。教學(xué)難點：對熵和熵增加原理的理解。教學(xué)方法：講述法、分析歸納法、閱讀法教學(xué)用具：投影儀、投影片教學(xué)過程：（一）復(fù)習(xí)提問，引入新課1、什么是熱傳導(dǎo)的方向性？2、機械能和內(nèi)能之間相互轉(zhuǎn)化的方向性指的是什么？3、什么是第二類永動機？為什么第二類永動機不可能制成？4、熱力學(xué)第二定律的兩種表述方式是什

2、么？學(xué)生思考回答后，教師指出：系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)源于組成系統(tǒng)的微觀粒子的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)課就要從微觀的角度說明為什么涉及熱運動的宏觀過程會有一定的方向性。（二）新課教學(xué)1、有序和無序宏觀態(tài)與微觀態(tài)引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容，以“撲克牌”為例，體會“有序”和“無序”的含義，從而進一步體會“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”的含義。教師講解：當我們以系統(tǒng)的分子數(shù)分布而不區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀態(tài)；如果使用分子數(shù)分布并且區(qū)分具體的分子來描寫的系統(tǒng)狀態(tài)叫熱力學(xué)系統(tǒng)的微觀態(tài)。在熱力學(xué)系統(tǒng)中，由于存在大量粒子的無規(guī)則熱運動，任一時刻各個粒子處于何種運動狀態(tài)完全

3、是偶然的，而且又都隨時間無規(guī)則地變化。系統(tǒng)中各個粒子運動狀態(tài)的每一種分布，都代表系統(tǒng)的一個微觀態(tài)，系統(tǒng)的微觀態(tài)的數(shù)目是大量的，在任意時刻系統(tǒng)隨機地處于其中任意一個微觀態(tài)。下面我們以上圖所示的情況為例來進一步加以說明。假設(shè)容器中體積相等的A、B兩室內(nèi)具有a、b、c、d一共4個全同的分子，它們在A、B兩室內(nèi)的分布情況共有16種方式。具體分布如下：（0，4）（0，abcd）（l，3）［（a，bcd），（b，acd），（c，abd），（d，abc）］（2，2）［（ab，cd），（ac，bd），（ad，bc），（bc，ad），（bd，ac），（cd，ab）］（

4、3，l）［（bcd，a），（acd，b），（abd，c），（abc，d）］（4，0）（abcd，0）上面的分布表達中，如（2，2）表示一個宏觀態(tài)（即A、B兩室內(nèi)各有2個分子但不區(qū)分具體分子）而（ab，cd）表示一個微觀態(tài)（a和b分子在A室內(nèi)，c和d分子在B室內(nèi)）由上表可清楚地看出，不同的宏觀態(tài)包含著不同數(shù)量的微觀態(tài)，其中以A、B兩室各有2個分子的宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目最多（6個）而以4個分子全部分布在A室或全部分布在B室的宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目最少（都是1個）。如果一個“宏觀態(tài)”對應(yīng)的“微觀態(tài)”比較多，就說這個“宏觀態(tài)”是比較無序的。2、氣體向真空

5、的擴散教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：一個箱子被擋板分為左、右兩室，假設(shè)左室氣體只有a，b，c，d4個分子，右室為真空，撤去擋板后，氣體由左向右擴散，由于各個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率是一樣的，從宏觀上看，我們看到“左2右2”這種均勻分布的可能性最大，而分子重新集中在一個室中，另一個室變成真空的可能性小。而實際上，氣體系統(tǒng)中分子個數(shù)相當多，因此，撤去擋板后實際上我們只能看到氣體向真空中擴散，而不可能觀察到氣體分子重新聚集在一室的現(xiàn)象。從無序的角度上看，熱力學(xué)系統(tǒng)是由大量作無序運動的分子組成的，因為任何熱力學(xué)過程都伴隨著分子的無序運動狀態(tài)的變化，當撤去擋

6、板的一瞬間，分子仍聚集在左室，對于左右兩室這一個整體來講，這顯然是一種高度有序的分布，當氣體分子自由擴散后，氣體系統(tǒng)就變得無序了，因此，氣體的自由擴散過程是沿著無序性增大的方向進行的，因此，一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。這就是熱力學(xué)第二定律的微觀意義。3、熵教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容。教師講解：一個宏觀狀態(tài)對應(yīng)的微觀狀態(tài)的多少是一個非常重要的物理量，它標志著這個系統(tǒng)宏觀態(tài)的無序程度，從中還可以知道系統(tǒng)將朝什么方向發(fā)展，物理學(xué)中就用Ω來表示一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目。例如在炒地皮的過程中，某個人將抓到的牌按照黑桃、紅桃、草

7、花、方塊的順序但沒有按照從小到大的順序排列，那么他所抓到的牌可能有多種排列方式，這些排列方式的數(shù)目就等于Ω說明：為了研究的方便，在物理學(xué)中引入了一個熵的概念，用符號S表示。熵和Ω之間存在如下的關(guān)系（S＝klnΩ，其中k是一個常數(shù)稱之為玻耳茲曼常數(shù)，ln是自然對數(shù)符號）。在自發(fā)過程中，是由有序向無序發(fā)展，Ω、S都要增大。因此在引入熵這個概念以后，關(guān)于自發(fā)過程的方向性就可以表述為：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少。這就是用熵表示的熱力學(xué)第二定律，為此，不少人也把熱力學(xué)第二定律稱之為熵增加原理。對熵增加原理的理解：（1）熵較大的宏觀狀態(tài)就是無序

8、程度較大的狀態(tài)，也就是出現(xiàn)概率較大的宏觀狀態(tài)（2）在自然過程中，熵總是增加的，其原因并非因為有序是不可能的，