賁貴山

(江蘇省無錫市第一女子中學 江蘇 無錫 214002)

1 設計思路

本節(jié)課從微觀角度說明為什么涉及熱運動的宏觀過程會具有方向性，概念性較強，學生普遍認為深奧、難理解．本節(jié)課設計由生活現(xiàn)象引入，對深奧的物理規(guī)律進行思考，注重數(shù)學思想方法在物理教學中應用，從而對熵的概念有初步的認識．

2 教學重點難點

2.1 重點及教學策略

(1)有序和無序概念的形成．策略：用生活經(jīng)驗引領，通過排列組合知識的具體運算加以說明有序和無序及其相對性，讓枯燥的理論變得有趣．

(2)熱力學第二定律的微觀意義．策略：通過理想化“四分子”模型的擴散過程的分析，再運用統(tǒng)計規(guī)律推廣到實際氣體分子中，運用概率知識說明分子熱運動過程的方向性，讓擴散現(xiàn)象變得有理論支撐．

2.2 難點及教學策略

(1)熱力學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．策略：應用熱力學第二定律的微觀意義去理解熵的概念，讓深奧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)、生活實際．

3 過程設計

3.1 復習提問

圖1

師：拔掉活塞的插銷后會看到什么現(xiàn)象？

(課前在副板書位置板畫圖1)

生(集體)：氣體會自動充滿整個空間．

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

生(集體)：不會．因為與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性．

師：與方向性有關的熱力學定律又叫什么定律？

生(集體)：熱力學第二定律．

師：請A同學回憶一下它的兩種表述．

生A：單獨回答兩種表述的內(nèi)容.

設計意圖：從提問氣體擴散現(xiàn)象開始，并由學生集體回答這個簡單問題，可以使學生很快進入狀態(tài)，為從微觀角度分析氣體擴散現(xiàn)象打下伏筆．當涉及具體定律和概念時請個別學生回憶復述定律的內(nèi)容更利于準確了解學生對上節(jié)課知識的掌握情況．

3.2 新課教學

(PPT顯示并板書課題：第五節(jié) 熱力學第二定律的微觀解釋)

(1)有序和無序

(PPT顯示并板書：一、有序和無序)

師：根據(jù)生活經(jīng)驗和所掌握的知識，請說明你對有序和無序的理解，請大家舉例說明．

學生簡短討論后，教師請學生說明．

生B：同學們在做課間操時的隊列是有序的，做操結束解散后的隊列是無序.

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

設計意圖：根據(jù)生活經(jīng)驗讓學生談談對有序和無序的認識，了解學生的認知水平，讓學生小組討論培養(yǎng)學生的小組合作的能力．

(教師引導學生對有序和無序進行深入的學習，以撲克牌為例說明)

師：現(xiàn)對一副撲克(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，請問有幾種排列的方法？

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？

設計意圖：該組問題中，第一問學生稍加思索就得到答案，但第二問提出后，學生不能很快得出結論，但在討論中部分學生提到數(shù)學中“排列組合”的思想方法．在數(shù)學學科中這是一個很簡單的題目，學生輕而易舉得到結論，可獲得成就感．有了第二問的經(jīng)驗，第三問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序的？

(老師突然襲擊提問兩名學生)

生D：有序．

生E：無序．

……

生(集體)：要看具體情況．

設計意圖：沉浸在成功喜悅中的部分學生會不假思索地回答出有序或無序，這一突然的提問再次將學生的心收回課堂的嚴謹思考中．同時突出有序和無序的相對性．

(PPT顯示并板書：有序無序是相對的)

(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)定中各對應有幾個微觀態(tài)？

(教師積極評價學生的回答)

師：上述幾種規(guī)定(宏觀態(tài))中哪一個較無序？從宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念來說無序有怎樣的特點？

生G：規(guī)定3，某一宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)越多，就越無序．

(PPT顯示并板書：無序意味著各處都一樣、平均、沒有差別)

(3)熱力學第二定律的微觀意義

(PPT顯示并板書：二、熱力學第二定律的微觀意義)

圖2

師：我們再來研究氣體的擴散現(xiàn)象，假設開始時左箱只有4個分子，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：結合上述5種狀態(tài)(宏觀態(tài))中的圖形說明哪些最有序？哪些最無序？為什么？

生H：1和5最有序，因為對應的微觀態(tài)只有一種；3最無序，因為對應的微觀態(tài)最多有6種．

設計意圖：該組問題學生已經(jīng)能夠靈活應用數(shù)學知識解決物理問題，通過學生自己解決問題增強信心，讓學生的集體回答活躍課堂氣氛．使學生及時鞏固“有序、無序、宏觀態(tài)和微觀態(tài)”等概念，為微觀意義的學習打下伏筆．

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進行，實際是自發(fā)地從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)進行，無序意味著各處都一樣，無差別．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，如果老師沒有列出這些數(shù)據(jù)，你能用數(shù)學的方法快捷地算出它的概率嗎？

……

師：很棒，他靈活運用了數(shù)學知識．汽缸中只有4個氣體分子嗎？實際氣體分子的數(shù)量是多少呢？

生(集體)：不是，有很多分子．

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

師：對，實際氣體中含有大量的氣體分子，當抽掉擋板后，這些氣體分子自發(fā)地聚到汽缸左側的概率為零，所以氣體自由擴散是有方向的，即一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行．

(PPT顯示并板書：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的．)

設計意圖：從假設的模型開始推廣到講解熱力學第二定律的微觀意義，運用了“概率”的數(shù)學思想方法，由淺入深來解決物理問題，從而達到新授知識的目的，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第二定律表述一？溫度對應著分子運動的哪個微觀物理量呢？

生(集體)：溫度跟分子的平均動能相對應．

師：怎樣從溫度的高低上去把握分子運動的有序性和無序性呢？

生L：開始時物體的溫度不相同，平均動能大的分子相對集中，平均動能小的分子也相對集中，總體來看比較有序，而最終溫度相同，分子的平均動能也相同，比較無序，即是自發(fā)地沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的．

師：機械能可以全部轉化為內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉化為機械能而不引起其他變化．機械能是大量分子有序運動的能量，而內(nèi)能是大量分子無序運動的能量，所以也是自發(fā)地沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的．

設計意圖：教師要正確引導學生回答問題，糾正學生回答中不規(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：

三、熵 1、熵的概念S=klnΩ2、熵的增加原理

四、熱力學第三定律

引導學生了解熵的概念、熵增加原理的內(nèi)容以及熵在物理領域和非物理領域的廣泛應用．

教師運用“宏觀態(tài)”和“微觀態(tài)”概念和“四分子”模型運算中的數(shù)據(jù)加以說明并推廣實際宏觀氣體中，再進一步推廣到非物理學生活事例加以理解．

設計意圖：介紹和了解該部分知識去實現(xiàn)物理教學的文化價值，閱讀第三定律使學生對熱力學定律的完整體系有所了解．

3.3 課堂小結

對本節(jié)課知識進行簡要的回顧，總結梳理本節(jié)課所用數(shù)學思想方法．

高中物理中的數(shù)學思想與方法是指運用數(shù)學來分析解決物理問題的思想與方法，它要求人們根據(jù)研究對象，綜合地運用各個數(shù)學分支對對象進行描述、計算和推導，從而揭示物理對象的運動規(guī)律[1].本節(jié)課主要應用數(shù)學思想方法引導學生自主學習有序和無序的概念，使學生重點掌握熱力學第二定律的微觀解釋，因為數(shù)學知識的介入使得學生對本節(jié)物理課堂更有新鮮感．

參考文獻

1 陳宗造．高中物理中數(shù)學思想與方法的若干教學實例．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發(fā)中心．教師教學用書·物理(選修3-3)．北京：人民教育出版社,2010