滲透物理觀念 開發(fā)高考熱學(xué)命題資源

(廣東省深圳市龍華高級(jí)中學(xué)，廣東 深圳 518109)

1 引言

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理觀念是物理學(xué)家經(jīng)歷長期的理論和實(shí)驗(yàn)研究，概括總結(jié)出的對(duì)物理世界的根本認(rèn)識(shí)。愛因斯坦指出：“在建立一個(gè)物理學(xué)理論時(shí)，基本觀念起了最主要的作用。物理書上充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，但是所有的物理學(xué)理論都是起源于思維與觀念，而不是公式?！庇纱丝梢?，物理觀念在物理學(xué)形成和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。高中物理課標(biāo)關(guān)于物理觀念劃分了5個(gè)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，水平4是用于高考的命題依據(jù)，即：具有清晰的物理觀念，能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，能綜合應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題，能指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐。

生活即物理，物理的考查應(yīng)加強(qiáng)物理與實(shí)際生活的聯(lián)系，以現(xiàn)代生活實(shí)例和現(xiàn)代科技應(yīng)用為立意的應(yīng)用型問題已成為物理命題的趨勢，理論聯(lián)系實(shí)際成為高考改革的一個(gè)永恒主題。近幾年來，高考在注重考查基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，加大了應(yīng)用型和能力型題目的考查，每年都有一些背景新穎、內(nèi)涵深刻、聯(lián)系科技和社會(huì)熱點(diǎn)的試題出現(xiàn)，成為高考試題的一大亮點(diǎn)。以熱學(xué)部分為例，因?yàn)闊釋W(xué)現(xiàn)象與人們的生產(chǎn)和生活密切聯(lián)系，高考命題的熱點(diǎn)為分子動(dòng)理論、熱力學(xué)定律、氣體定律等。

2 開發(fā)教材資源

高考命題“源于教材，高于教材”，教材就是高考題目的“源”。教材中的插圖看似普通，實(shí)際上具有很好的導(dǎo)向作用，近幾年的高考題中經(jīng)常出現(xiàn)利用教材上的原圖或演示實(shí)驗(yàn)，通過改變教材里的表達(dá)形式來進(jìn)行考查。

2.1 挖掘中學(xué)物理教材

高考備考最佳的辦法就是讀透物理教材，在高考命題組的總結(jié)中常提及某一試題源于教材，或稍加改造，或做拼合，或稍做提高，如圖1中的裝置圖，考點(diǎn)的切入可以是熱力學(xué)第一定律，可以是氣體狀態(tài)參量之間的關(guān)系，由于這是傳統(tǒng)的老圖，筆者不作展開，下面著意以新的視角開發(fā)命題資源。

圖1

如初中物理教材的金屬盒氣壓計(jì)(如圖2)，可作為熱學(xué)考查的切入點(diǎn)。彈性金屬做成的膜片空盒作為金屬空盒氣壓計(jì)的感應(yīng)元件，利用彈性應(yīng)力與大氣壓力相平衡的原理，以它的形變測定氣壓。以密封在金屬膜片空盒內(nèi)的氣體為對(duì)象，便有很多命題切入點(diǎn)。

圖2

2.2 挖掘中學(xué)化學(xué)教材

作為高考備考者，關(guān)注物理教材已不足以應(yīng)對(duì)當(dāng)今高考，學(xué)科的綜合常被作為試題設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)加以凸顯，我們必須順應(yīng)潮流，把目光放遠(yuǎn)些，關(guān)注化學(xué)等學(xué)科。

如氨氣溶水的噴泉實(shí)驗(yàn)(如圖3)，當(dāng)向燒瓶中加入少許水后，立即形成美麗的紅色噴泉，形成噴泉的最關(guān)鍵條件是改變瓶內(nèi)氣壓。如裝置中少了膠頭滴管，你又如何使它產(chǎn)生噴泉？可打開夾子，用手或熱毛巾等將燒瓶捂熱，氨氣受熱膨脹，趕出玻璃管內(nèi)空氣后就會(huì)形成噴泉；或在燒瓶外壁用冷卻劑冷卻一段時(shí)間再打開夾子……看似是化學(xué)問題，其中的氣體知識(shí)可謂是非常豐富，如影響氣體壓強(qiáng)的因素等。

圖3

圖4

2.3 挖掘大學(xué)物理教材

有些高考命題專家比較熟悉大學(xué)物理，大學(xué)物理教材中某些實(shí)驗(yàn)也可變成高考命題的素材，如《普通物理學(xué)》第一冊(cè)中測量空氣比熱容的裝置(如圖4)，其過程比較復(fù)雜，但實(shí)驗(yàn)的某一過程利用高中物理知識(shí)完全可以理解，如“迅速關(guān)閉活塞2，由于此過程進(jìn)行得迅速，可以認(rèn)為是絕熱的，此時(shí)瓶內(nèi)溫度會(huì)有所下降。當(dāng)貯氣瓶內(nèi)空氣的溫度上升至T0(室溫)時(shí)記下貯氣瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)P2”。這一過程的切入點(diǎn)就很多，可設(shè)計(jì)熱學(xué)考題。

3 挖掘生活資源

根據(jù)前面的分析，我們知道，高考命題的落腳點(diǎn)有時(shí)恰恰是我們身邊的生活用品或現(xiàn)象，因此高考備考要聯(lián)系生活實(shí)際，關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)；注意觀察生活現(xiàn)象，有意識(shí)地積累生活、生產(chǎn)中與物理有關(guān)的素材，不斷提高分析物理現(xiàn)象和應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；對(duì)于生活中我們熟知的一些現(xiàn)象和器具要注意觀察，弄清它們所蘊(yùn)含的物理原理。

3.1 關(guān)注人的身體

關(guān)注生活，首先關(guān)注自己的身體，如自己的呼吸。如圖5所示，吸氣時(shí)膈肌做擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大胸腔體積，肺舒張,體積變大,氣壓變小,小于外界大氣壓，空氣在大氣壓的作用下被壓入肺里，即為吸氣；呼氣時(shí)，肺收縮,體積變小,氣壓變大,大于外界大氣壓，空氣在肺中氣壓的作用下被壓出。胸腔內(nèi)體積的變化，正是造成氣壓變化的原因，這一生理過程中隱含的物理知識(shí)是顯而易見的。如果命題者適當(dāng)挖掘，也能通過生理活動(dòng)考查氣體的有關(guān)知識(shí)。

圖5

3.2 關(guān)注生活中的“行”

氣式減震器是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的一種新型減震器，它已廣泛應(yīng)用在山地自行車及汽車上。氣壓減震器利用密封的氣體代替彈簧作為減震介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)減震目的，其優(yōu)點(diǎn)是輕且舒適。簡單的氣式減震器采用單缸，高端的采用正負(fù)氣壓(如圖6)，它利用封氣活塞將工作氣缸分成主氣室和輔氣室，氣室充有高壓氮?dú)狻．?dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，減震器的工作活塞在缸筒內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使工作活塞的上腔和下腔之間產(chǎn)生氣壓差，產(chǎn)生較大的阻尼，使振動(dòng)衰減。如果我們研究主氣室，抽象為一個(gè)打氣筒，學(xué)生能理解減震的道理，命題的切入點(diǎn)也是豐富的、多樣的。

圖6

客車車門系統(tǒng)如圖7所示，當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入左邊氣缸，會(huì)把活塞向右推，右邊汽缸的封閉氣體被壓縮時(shí)壓強(qiáng)會(huì)增大，同時(shí)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將車門打開，但車門只能徐徐地打開；當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入右邊氣缸時(shí)，會(huì)把活塞向左推，同時(shí)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將車門關(guān)閉。以左、右兩邊氣缸內(nèi)氣體為研究，可以考查熱學(xué)中氣體的有關(guān)知識(shí)。

圖7

3.3 關(guān)注生活中的“玩”

很多玩具的設(shè)計(jì)運(yùn)用了物理原理，它是科技改變生活的生動(dòng)反映。如圖8所示，超級(jí)水槍中有兩個(gè)貯水箱A和B，兩者通過管道連通。給水槍“裝彈”時(shí)，只給容量較大的貯水箱A灌水。水槍準(zhǔn)備噴射時(shí)，多次拉動(dòng)水泵把手C，每次將水從大貯水箱推入小貯水箱，就會(huì)向上推擠小貯水箱內(nèi)部的空氣。當(dāng)越來越多的水添加到小貯水箱B時(shí)，水就會(huì)占據(jù)越來越大的容積。因?yàn)橘A水箱的空間有限，占據(jù)更多體積的水就會(huì)壓縮槍體內(nèi)的空氣，使其壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于水槍外的空氣壓強(qiáng)。當(dāng)向后扣拉扳機(jī)時(shí)，貯水箱B中空氣有足夠大的壓強(qiáng)，水就會(huì)以極高的速度噴射。如果我們研究B箱的變化，箱內(nèi)氣體變化對(duì)應(yīng)的物理過程相當(dāng)明確，命題要是從這里入手也可打造出有品味的試題。

圖8

3.4 關(guān)注生活中的“樂”

香檳是慶祝用酒，打開的時(shí)候泡沫四散，還有聲響，會(huì)增加歡樂氣氛，常出現(xiàn)在汽車?yán)愵C獎(jiǎng)、婚禮等各種慶祝場合。如圖9所示，軟木塞有效地封閉酒瓶內(nèi)的氣體，德國學(xué)者的實(shí)驗(yàn)表明：用力搖晃一瓶香檳，其中氣體壓強(qiáng)可達(dá)0.25MPa，軟木塞噴出的速度能達(dá)到40km/h。根據(jù)上述這段材料，就能設(shè)計(jì)出考查氣體壓強(qiáng)、氣體對(duì)外做功的好題目。

圖9

只要我們留心觀察，在我們的周圍總能找到所需的熱學(xué)命題情景或模型，除上述案例以外，如高壓鍋、手風(fēng)琴、氣墊鞋、空氣壓縮機(jī)、吹出的肥皂泡等都能作為熱學(xué)命題的情景，這樣原創(chuàng)的試題立意新，緊密聯(lián)系生活，可更好地考查學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解釋生活現(xiàn)象的能力，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。