賁貴山

(江蘇省無(wú)錫市第一女子中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214002)

1 設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課從微觀角度說(shuō)明為什么涉及熱運(yùn)動(dòng)的宏觀過(guò)程會(huì)具有方向性，概念性較強(qiáng)，學(xué)生普遍認(rèn)為深?yuàn)W、難理解．本節(jié)課設(shè)計(jì)由生活現(xiàn)象引入，對(duì)深?yuàn)W的物理規(guī)律進(jìn)行思考，注重?cái)?shù)學(xué)思想方法在物理教學(xué)中應(yīng)用，從而對(duì)熵的概念有初步的認(rèn)識(shí)．

2 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)

2.1 重點(diǎn)及教學(xué)策略

(1)有序和無(wú)序概念的形成．策略：用生活經(jīng)驗(yàn)引領(lǐng)，通過(guò)排列組合知識(shí)的具體運(yùn)算加以說(shuō)明有序和無(wú)序及其相對(duì)性，讓枯燥的理論變得有趣．

(2)熱力學(xué)第二定律的微觀意義．策略：通過(guò)理想化“四分子”模型的擴(kuò)散過(guò)程的分析，再運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律推廣到實(shí)際氣體分子中，運(yùn)用概率知識(shí)說(shuō)明分子熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方向性，讓擴(kuò)散現(xiàn)象變得有理論支撐．

2.2 難點(diǎn)及教學(xué)策略

(1)熱力學(xué)第二定律的微觀意義．策略：同上．

(2)熵概念的形成及熵的增加原理的教學(xué)．策略：應(yīng)用熱力學(xué)第二定律的微觀意義去理解熵的概念，讓深?yuàn)W的理論變得通俗易懂；并將熵的概念推廣到生活事例加以理解，理論聯(lián)系生產(chǎn)、生活實(shí)際．

3 過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)習(xí)提問(wèn)

圖1

師：拔掉活塞的插銷(xiāo)后會(huì)看到什么現(xiàn)象？

(課前在副板書(shū)位置板畫(huà)圖1)

生(集體)：氣體會(huì)自動(dòng)充滿整個(gè)空間．

師：氣體推動(dòng)活塞充滿整個(gè)空間后，會(huì)自發(fā)地回到起始狀態(tài)嗎？為什么？

生(集體)：不會(huì)．因?yàn)榕c熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過(guò)程都具有方向性．

師：與方向性有關(guān)的熱力學(xué)定律又叫什么定律？

生(集體)：熱力學(xué)第二定律．

師：請(qǐng)A同學(xué)回憶一下它的兩種表述．

生A：?jiǎn)为?dú)回答兩種表述的內(nèi)容.

設(shè)計(jì)意圖：從提問(wèn)氣體擴(kuò)散現(xiàn)象開(kāi)始，并由學(xué)生集體回答這個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，可以使學(xué)生很快進(jìn)入狀態(tài)，為從微觀角度分析氣體擴(kuò)散現(xiàn)象打下伏筆．當(dāng)涉及具體定律和概念時(shí)請(qǐng)個(gè)別學(xué)生回憶復(fù)述定律的內(nèi)容更利于準(zhǔn)確了解學(xué)生對(duì)上節(jié)課知識(shí)的掌握情況．

3.2 新課教學(xué)

(PPT顯示并板書(shū)課題：第五節(jié) 熱力學(xué)第二定律的微觀解釋)

(1)有序和無(wú)序

(PPT顯示并板書(shū)：一、有序和無(wú)序)

師：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和所掌握的知識(shí)，請(qǐng)說(shuō)明你對(duì)有序和無(wú)序的理解，請(qǐng)大家舉例說(shuō)明．

學(xué)生簡(jiǎn)短討論后，教師請(qǐng)學(xué)生說(shuō)明．

生B：同學(xué)們?cè)谧稣n間操時(shí)的隊(duì)列是有序的，做操結(jié)束解散后的隊(duì)列是無(wú)序.

生C：在玩撲克牌時(shí)，每次發(fā)牌前玩家“洗好”的牌是無(wú)序的，玩家抓在手上并按花色排好的牌是有序的……

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)讓學(xué)生談?wù)剬?duì)有序和無(wú)序的認(rèn)識(shí)，了解學(xué)生的認(rèn)知水平，讓學(xué)生小組討論培養(yǎng)學(xué)生的小組合作的能力．

(教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)有序和無(wú)序進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，以撲克牌為例說(shuō)明)

師：現(xiàn)對(duì)一副撲克(大小鬼除外)的排列作如下要求，規(guī)定1，按黑桃、紅桃、梅花和方塊的花色，并且在同種花色中按照從小到大(1→K)的順序排列，請(qǐng)問(wèn)有幾種排列的方法？

生(集體)：1種．

師：規(guī)定2，同樣的一副撲克(大小鬼除外)要求同花色的按照從小到大(1→K)的順序排列，對(duì)于四種花色的排列不作要求有幾種排列方法？

……

師：規(guī)定3，同樣的一副撲克(大小鬼除外)不作任何要求，將這副撲克排列有幾種排列方式？

設(shè)計(jì)意圖：該組問(wèn)題中，第一問(wèn)學(xué)生稍加思索就得到答案，但第二問(wèn)提出后，學(xué)生不能很快得出結(jié)論，但在討論中部分學(xué)生提到數(shù)學(xué)中“排列組合”的思想方法．在數(shù)學(xué)學(xué)科中這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的題目，學(xué)生輕而易舉得到結(jié)論，可獲得成就感．有了第二問(wèn)的經(jīng)驗(yàn)，第三問(wèn)同樣輕而易舉得以解決．

師：在上述三種規(guī)定中，按規(guī)定2所排列的撲克是有序的還是無(wú)序的？

(老師突然襲擊提問(wèn)兩名學(xué)生)

生D：有序．

生E：無(wú)序．

……

生(集體)：要看具體情況．

設(shè)計(jì)意圖：沉浸在成功喜悅中的部分學(xué)生會(huì)不假思索地回答出有序或無(wú)序，這一突然的提問(wèn)再次將學(xué)生的心收回課堂的嚴(yán)謹(jǐn)思考中．同時(shí)突出有序和無(wú)序的相對(duì)性．

(PPT顯示并板書(shū)：有序無(wú)序是相對(duì)的)

(2)宏觀態(tài)和微觀態(tài)

師：像剛才的撲克牌一樣，每一種規(guī)定就是它的一個(gè)宏觀態(tài)，而每一種規(guī)定下具體的排列就是它的微觀態(tài)．上述三種規(guī)定中各對(duì)應(yīng)有幾個(gè)微觀態(tài)？

(教師積極評(píng)價(jià)學(xué)生的回答)

師：上述幾種規(guī)定(宏觀態(tài))中哪一個(gè)較無(wú)序？從宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念來(lái)說(shuō)無(wú)序有怎樣的特點(diǎn)？

生G：規(guī)定3，某一宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)越多，就越無(wú)序．

(PPT顯示并板書(shū)：無(wú)序意味著各處都一樣、平均、沒(méi)有差別)

(3)熱力學(xué)第二定律的微觀意義

(PPT顯示并板書(shū)：二、熱力學(xué)第二定律的微觀意義)

圖2

師：我們?cè)賮?lái)研究氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象，假設(shè)開(kāi)始時(shí)左箱只有4個(gè)分子，右箱真空，如圖2．則抽掉擋板后分子的分布為左4右零，有幾種微觀狀態(tài)？

師：抽掉擋板后分子的分布為左3右1，有幾種微觀狀態(tài)？

師：抽掉擋板后分子的分布為左2右2，有幾種微觀狀態(tài)？

師：抽掉擋板后分子的分布為左1右3，有幾種微觀狀態(tài)？

師：抽掉擋板后分子的分布為左零右4，有幾種微觀狀態(tài)？

師：結(jié)合上述5種狀態(tài)(宏觀態(tài))中的圖形說(shuō)明哪些最有序？哪些最無(wú)序？為什么？

生H：1和5最有序，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的微觀態(tài)只有一種；3最無(wú)序，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的微觀態(tài)最多有6種．

設(shè)計(jì)意圖：該組問(wèn)題學(xué)生已經(jīng)能夠靈活應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生自己解決問(wèn)題增強(qiáng)信心，讓學(xué)生的集體回答活躍課堂氣氛．使學(xué)生及時(shí)鞏固“有序、無(wú)序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)”等概念，為微觀意義的學(xué)習(xí)打下伏筆．

師：上述5種狀態(tài)包括了抽去擋板后，分子分布的全部可能情況，其中哪一種狀態(tài)出現(xiàn)的概率最高？為什么？

師：哪種規(guī)定出現(xiàn)的概率最小呢？

師：抽掉擋板后，氣體分子從狀態(tài)1自發(fā)地向狀態(tài)3進(jìn)行，實(shí)際是自發(fā)地從有序狀態(tài)向無(wú)序狀態(tài)進(jìn)行，無(wú)序意味著各處都一樣，無(wú)差別．從PPT上列出的圖形及數(shù)據(jù)我們很快就能算出左4右零(或左零右4)的概率，如果老師沒(méi)有列出這些數(shù)據(jù)，你能用數(shù)學(xué)的方法快捷地算出它的概率嗎？

……

師：很棒，他靈活運(yùn)用了數(shù)學(xué)知識(shí)．汽缸中只有4個(gè)氣體分子嗎？實(shí)際氣體分子的數(shù)量是多少呢？

生(集體)：不是，有很多分子．

師：假設(shè)有1 mol的氣體密閉在汽缸的左側(cè)，抽掉擋板后，氣體分子又自發(fā)聚集到左側(cè)的概率有多大呢？

師：對(duì)，實(shí)際氣體中含有大量的氣體分子，當(dāng)抽掉擋板后，這些氣體分子自發(fā)地聚到汽缸左側(cè)的概率為零，所以氣體自由擴(kuò)散是有方向的，即一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行．

(PPT顯示并板書(shū)：一切自發(fā)過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的．)

設(shè)計(jì)意圖：從假設(shè)的模型開(kāi)始推廣到講解熱力學(xué)第二定律的微觀意義，運(yùn)用了“概率”的數(shù)學(xué)思想方法，由淺入深來(lái)解決物理問(wèn)題，從而達(dá)到新授知識(shí)的目的，讓微觀意義的呈現(xiàn)水到渠成，通俗易懂．

師：怎樣從微觀角度去理解熱力學(xué)第二定律表述一？溫度對(duì)應(yīng)著分子運(yùn)動(dòng)的哪個(gè)微觀物理量呢？

生(集體)：溫度跟分子的平均動(dòng)能相對(duì)應(yīng)．

師：怎樣從溫度的高低上去把握分子運(yùn)動(dòng)的有序性和無(wú)序性呢？

生L：開(kāi)始時(shí)物體的溫度不相同，平均動(dòng)能大的分子相對(duì)集中，平均動(dòng)能小的分子也相對(duì)集中，總體來(lái)看比較有序，而最終溫度相同，分子的平均動(dòng)能也相同，比較無(wú)序，即是自發(fā)地沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的．

師：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化．機(jī)械能是大量分子有序運(yùn)動(dòng)的能量，而內(nèi)能是大量分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)的能量，所以也是自發(fā)地沿著分子熱運(yùn)動(dòng)無(wú)序性增大的方向進(jìn)行的．

設(shè)計(jì)意圖：教師要正確引導(dǎo)學(xué)生回答問(wèn)題，糾正學(xué)生回答中不規(guī)范的表述，確保文字表述的規(guī)范性．

(4)熵和熵的增加原理.PPT顯示并板書(shū)：

三、熵 1、熵的概念S=klnΩ2、熵的增加原理

四、熱力學(xué)第三定律

引導(dǎo)學(xué)生了解熵的概念、熵增加原理的內(nèi)容以及熵在物理領(lǐng)域和非物理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用．

教師運(yùn)用“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”概念和“四分子”模型運(yùn)算中的數(shù)據(jù)加以說(shuō)明并推廣實(shí)際宏觀氣體中，再進(jìn)一步推廣到非物理學(xué)生活事例加以理解．

設(shè)計(jì)意圖：介紹和了解該部分知識(shí)去實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)的文化價(jià)值，閱讀第三定律使學(xué)生對(duì)熱力學(xué)定律的完整體系有所了解．

3.3 課堂小結(jié)

對(duì)本節(jié)課知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧，總結(jié)梳理本節(jié)課所用數(shù)學(xué)思想方法．

高中物理中的數(shù)學(xué)思想與方法是指運(yùn)用數(shù)學(xué)來(lái)分析解決物理問(wèn)題的思想與方法，它要求人們根據(jù)研究對(duì)象，綜合地運(yùn)用各個(gè)數(shù)學(xué)分支對(duì)對(duì)象進(jìn)行描述、計(jì)算和推導(dǎo)，從而揭示物理對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1].本節(jié)課主要應(yīng)用數(shù)學(xué)思想方法引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)有序和無(wú)序的概念，使學(xué)生重點(diǎn)掌握熱力學(xué)第二定律的微觀解釋?zhuān)驗(yàn)閿?shù)學(xué)知識(shí)的介入使得學(xué)生對(duì)本節(jié)物理課堂更有新鮮感．

參考文獻(xiàn)

1 陳宗造．高中物理中數(shù)學(xué)思想與方法的若干教學(xué)實(shí)例．物理教師,2005(9):24～28

2 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．教師教學(xué)用書(shū)·物理(選修3-3)．北京：人民教育出版社,2010