课程思政教学案例公开课：热力学第二定律的统计意义(教案).doc

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教案

课程名称

任课教师

任课院系

教研室

2020年9月

课程思政教学设计

教学内容：热力学第二定律的统计意义

（马文蔚《物理学》（第六版）下册第13章第8节）

教学目的：

1、了解无序度与热力学概率

2、进一步理解熵的概念与熵增加原理

3、掌握热力学第二定律的统计意义

课程思政：

通过对热力学第二定律的统计规律的学习，使学生进一步加深对熵的概念与熵增加原理的理解，激发学生对时间、生命、宇宙变迁的不可逆性的思考，树立珍惜时间、珍惜生命的情感、态度、价值观。通过对孤立系统不可逆过程本质上是熵增大即无序度增加的学习和理解，引申到个人有序发展需要开放和自律，国家社会要保持有序发展需要开放和改革，升华到理解改革开放基本国策，理解“中国改革开放的大门不会关闭，只会越开越大”的表述。

教学分析：

重点：

熵与热力学概率玻尔兹曼关系

难点：

对无序度与微观状态数的理解

教学方法和策略：

讲授、讨论、多媒体展示、启发式教学法

教学过程设计

教学内容

教学安排

课程回顾

复习上节课学习的熵的概念和熵增加原理。

熵的概念：

（思政元素：介绍“熵”这个汉字的来历，是我国物理学家胡刚复在翻译“entropy”时创造的汉字，因为entropy跟能量（火）有关系，能量被温度来除（商），得到“熵”。这既可以让学生觉得有趣，也能让学生体会科学家的创新精神）

熵增加原理：

回顾绝热容器内两物体的热传导过程和理想气体自由膨胀过程的熵的计算结果，强调孤立系统的不可逆过程伴随着熵增大。

课程引入

（师生互动）通过雨课堂让学生完成线上选择题，加深学生对热力学第二定律两种表述和熵增加原理的理解。在解析答案的过程中通过分析“运动的单摆会因摩擦做功逐渐停下，静止的单摆不会自发吸收热量而运动起来”，指出功变热的不可逆性；通过分析“室温下桌面上水杯里的开水可以自发的冷却，而水杯里的冷水不会自发的变成开水”，指出热传递过程的不可逆性。进一步分析这些过程中都伴随着热耗散，自然界自发的过程都不可避免的伴随着热耗散，从而引出热力学第二定律的实质：自然界中的一切自发过程都是不可逆的。

内容讲解

通过PPT中动图依次举下例说明自然界中的一切自发过程都是不可逆的。

一滴墨水滴入水中的扩散过程；

烤火的热传递过程；

一栋建筑垮塌的过程；

延伸到生物界，一粒种子发芽生长的过程；

人的生老病死过程；

（思政元素：由人的生老病死过程引申展开，引导学生懂得珍惜——人的一生也是这样，生老病死，向死而生。正如唐朝诗人李白在将敬酒写到：君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回；君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。时间滚滚向前，不可逆转，子在川上曰：逝者如斯乎，不舍昼夜。同学们，百日莫空过，青春不再来。花有重开日、人无再少年。说实话，老师们特别羡慕你们现在这么年轻，我们的人生都或多或少地越来越趋于定型了，但你们还有无限可能，未来可期。大家要珍惜时间，保持奋斗的状态，努力学习，不负青春，不负韶华。不然就会少壮不努力，老大徒悲伤了。网上有句话说“明天和意外，我们永远不知道哪个会先到来”，所以活着的每一天都值得我们珍惜，最好是把每一天都当成最后一天来过，珍惜和感恩生命中的每一个人、每一件事，每一个物，每一个瞬间，这样一定会让我们的人生更有意义。这应当是热力学第二定律的不可逆规律带给我们的启示。）。

过渡：那么为什么会有这种不可逆性，不可逆性的本质是什么呢？生物系统与人生系统太复杂了，无从下手，我们可以从简单的孤立系统不可逆过程开始研究。

熵与无序度

通过对水杯中墨汁扩散例子的具体深入分析，得出扩散过程实际是水与墨汁构成的系统从非均匀、非平衡、有序状态过渡到均匀、平衡、无序的状态，从而引出“无序度”的概念。

联系此处的分析和上节课对孤立系统扩散过程熵的计算，得到孤立系统自发的扩散过程是一个熵增大的过程，熵增大，无序度也增大。指出熵是孤立系统无序度的量度。

过渡：孤立系统的无序度从微观本质上怎么理解呢？接下来我们介绍无序度与微观状态数的关系。

无序度与微观状态数

（师生互动）以容器中理想气体分子自由扩散为例，设问分析隔板被抽出后，4个分子在容器中可能有几种分布情形？同学讨论回答得出如下分布。

由4个分子扩展到20个分子，然后到N个分子。

可得某一宏观态相应的微观状态数越多，出现概率越大，对应无序度也越高。

据此引出微观状态数和热力学概率的概念，得出热力学概率是分子热运动的系