近五年全國卷熱力學(xué)試題的分析與教學(xué)建議

陳志軍

摘? ?要：文章通過對近五年高考全國卷熱力學(xué)試題的命題規(guī)律進(jìn)行梳理與分析，構(gòu)建三類典型模型，結(jié)合真題給出具體的處理策略，并據(jù)此對新舊高考銜接模式下的課堂教學(xué)提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué);高考;科學(xué)思維;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）3-0043-4

1? ? 引? 言

熱學(xué)是目前高考物理全國卷的選考部分，對應(yīng)高考全國卷理綜試題第33題，分兩小題。第一小題6分，一般是五選三的選擇題，不過也有填空題，大多數(shù)考查分子動理論、內(nèi)能、理想氣體和熱力學(xué)定律等熱學(xué)主干知識的物理學(xué)史、物理觀念及概念等;第二小題10分，以計算題大題的形式出現(xiàn)，以熱力學(xué)定律以及推論為依據(jù)，考查學(xué)生對熱學(xué)基礎(chǔ)知識的掌握情況及推理能力和綜合分析應(yīng)用能力。熱力學(xué)試題的考查要求相對于物理壓軸題而言，雖然要求不高、難度不大，但由于涉及范圍比較廣、知識點理論性強、微觀與宏觀結(jié)合等因素，使得考生得分情況不太樂觀。面臨這種現(xiàn)狀，我們應(yīng)該認(rèn)真反思和研究對策[1]。本文就近五年高考全國卷熱力學(xué)試題的命題規(guī)律進(jìn)行梳理與分析，構(gòu)建起三類典型模型，并結(jié)合真題給出了具體的處理策略，對新舊高考銜接模式下的課堂教學(xué)提出了建議。

2? ? 近五年高考全國卷熱力學(xué)試題分析

近五年高考全國卷熱力學(xué)試題以熱力學(xué)定律、理想氣體狀態(tài)方程為依據(jù)，考查學(xué)生的分析能力和知識綜合應(yīng)用能力。近兩年來熱力學(xué)考題中還出現(xiàn)了以科技前沿、社會熱點等問題為背景，對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力進(jìn)行考查的新情境試題。近五年全國高考熱力學(xué)試題主要涉及到兩大塊：一是一定質(zhì)量的封閉氣體，會結(jié)合活塞、氣缸、液柱等模型進(jìn)行命題，有時候還結(jié)合熱力學(xué)第一定律以及圖像命題;二是“變”質(zhì)量氣體問題，涉及到充氣、放氣、分裝、漏氣等氣體調(diào)配問題。具體情況如表1所示。

從表1可以看出，近五年高考全國卷熱力學(xué)試題的知識點、命題情境、問題裝置等都在發(fā)生變化，但物理概念、規(guī)律、處理方法都是有章可循的。命題聚焦氣體實驗定律和理想氣體的狀態(tài)方程，結(jié)合力的平衡以及氣體做功等知識點，要求學(xué)生能正確審題、明確研究對象，并根據(jù)題目明確研究對象的變化過程，找到各變化過程的聯(lián)系，結(jié)合活塞、液柱平衡求氣體末態(tài)情況。題目意在要強化學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建、科學(xué)推理、假設(shè)判斷的科學(xué)思維素養(yǎng)。

近五年高考全國卷熱力學(xué)試題從模型上看主要分為活塞類、液柱類和氣體調(diào)配類。其中，活塞類問題又分為單活塞雙氣體、單活塞單氣體和“工”字型活塞。2017年卷Ⅰ、2018年卷Ⅰ、2021年甲卷均為單活塞雙氣體問題，2018年卷Ⅱ為單活塞單氣體問題，2019年卷Ⅱ為“工”字型活塞問題。液柱類問題又分為單氣體液柱和雙氣體液柱，2017年卷Ⅲ、2019年卷Ⅲ、2020年卷Ⅱ、2020年卷Ⅲ均為單氣體液柱問題，2018年卷Ⅲ、2021年乙卷為雙氣體液柱問題。2019年卷Ⅰ、2020年卷Ⅰ為氣體調(diào)配類問題?；钊悊栴}和液柱類問題，均考查氣體實驗定律和活塞、液柱的受力平衡情況，有些還考查臨界問題。由于活塞的移動和液柱高低的變化，此類問題經(jīng)常涉及到氣體體積或氣柱長度的變化關(guān)系。氣體調(diào)配問題均在溫度不變的前提下，考查理想氣體的狀態(tài)方程及其推論。

3? ? 高考熱力學(xué)試題的處理方法與策略

高考熱力學(xué)試題的分析方法與處理策略：

（1）要明確研究對象，一是熱學(xué)對象，即對象是哪部分氣體，質(zhì)量是否一定，是單氣體還是雙氣體;二是力學(xué)研究對象，即對象是活塞、液柱、氣缸還是系統(tǒng)。

（2）明確氣體變化過程中，氣體的壓強、體積、溫度有沒有不變的參量，寫出氣體初、末狀態(tài)的壓強、體積和溫度參量。

（3）根據(jù)氣體實驗定律結(jié)合不變量建立狀態(tài)方程。

（4）結(jié)合活塞、液柱受力分析后的平衡方程，找到氣體初、末狀態(tài)壓強的關(guān)系以及活塞移動或液柱高低變化以后氣體體積的關(guān)系。

（5）聯(lián)立求解，必要時進(jìn)行檢驗，看是否滿足臨界條件、液體溢出、活塞被擋住等情況。

近五年高考全國卷熱力學(xué)試題主要分為活塞類、液柱類和氣體調(diào)配類，以下分別從這三類模型的處理策略來具體說明。

3.1? ? 活塞類

例1 （2018年高考全國卷Ⅱ）如圖1，一豎直放置的氣缸上端開口，氣缸壁內(nèi)有卡口a和b，a、b間距為h，a距缸底的高度為H;活塞只能在a、b間移動，其下方密封有一定質(zhì)量的理想氣體。已知活塞質(zhì)量為m，面積為S，厚度可忽略;活塞和氣缸壁均絕熱，不計它們之間的摩擦。開始時活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，上、下方氣體壓強均為p0，溫度均為T0?，F(xiàn)用電熱絲緩慢加熱氣缸中的氣體，直至活塞剛好到達(dá)b處。求此時氣缸內(nèi)氣體的溫度以及在此過程中氣體對外所做的功。重力加速度大小為g。

分析過程和處理策略從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）明確研究對象是活塞和氣缸封閉的氣體，是單氣體，沒有氣體調(diào)配。

（2）活塞上升的原因是氣體被緩慢加熱，溫度緩慢升高，考慮到開始時活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，上、下方氣體壓強均為p0，分析出活塞此時并沒有立即上升，進(jìn)而確定體積不變、溫度升高，是一個等容變化過程。

（3）分析活塞的受力情況，確定活塞開始上升時的壓強，根據(jù)查理定律確定此時氣體的溫度。

（4）氣體溫度繼續(xù)升高，分析出活塞緩慢上升，一直平衡，壓強不變，是等壓變化過程。剛好到達(dá)b處時的體積可以從圖中確定，根據(jù)蓋-呂薩克定律確定此時的溫度。

（5）分析哪一個過程氣體對外做功，恒力還是變力，如何求解所做功的大小。

學(xué)生對本題氣體狀態(tài)過程可能不清楚，會錯誤認(rèn)為整個過程是等壓變化或認(rèn)為開始加熱時活塞就上升，教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生全過程分析，寫出最初和最末狀態(tài)的壓強、體積、溫度，直接用理想氣體狀態(tài)方程求解?；钊愵}目分析的關(guān)鍵是對活塞進(jìn)行受力分析，從而準(zhǔn)確研究氣體的壓強變化;同時，根據(jù)題目信息準(zhǔn)確分析變化過程，提煉出所研究的氣體是等容變化還是等壓或等溫變化。如果是“工”字型活塞，則要注意“工”字型中間是桿還是繩，往往用整體法，考查兩邊距離的變化和體積的變化以及整體與隔離結(jié)合的平衡條件。

3.2? ? 液柱類

例2 （2021年高考全國乙卷） 如圖2，一玻璃裝置放在水平桌面上，豎直玻璃管A、B、C粗細(xì)均勻，A、B兩管的上端封閉，C管上端開口，三管的下端在同一水平面內(nèi)且相互連通。A、B兩管的長度分別為l1=13.5 cm，l2=32 cm。將水銀從C管緩慢注入，直至B、C兩管內(nèi)水銀柱的高度差h=5 cm。已知外界大氣壓為p0=75 cmHg，求A、B兩管內(nèi)水銀柱的高度差。

分析過程和處理策略從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）明確研究的力學(xué)對象是兩液面相差的液柱，熱學(xué)對象是被水銀封閉的A管和B管內(nèi)的氣體，是雙氣體，沒有氣體調(diào)配。

（2）明確注入水銀是等溫變化，寫出注入水銀前和注入水銀后A管和B管內(nèi)的氣體壓強以及氣體的體積，分別對A管和B管內(nèi)的氣體根據(jù)玻意耳定律列方程，找到壓強和體積的關(guān)系。

（3）分析A、B、C管液面相差的液柱的受力情況，確定壓強關(guān)系和高度差的變化關(guān)系。

（4）聯(lián)立壓強關(guān)系、體積關(guān)系、高度或高度變化關(guān)系求解，并對實驗結(jié)果進(jìn)行討論取舍。

液柱題目分析的關(guān)鍵是對兩液面相差的液柱受力分析，根據(jù)平衡方程確定兩液面上氣體的壓強關(guān)系，對封閉的氣體分別運用氣體狀態(tài)方程，結(jié)合氣體、液柱體積或長度變化關(guān)系求解。

3.3? ? 氣體調(diào)配類

例3 （2020年全國卷Ι）甲、乙兩個儲氣罐儲存有同種氣體（可視為理想氣體）。甲罐的容積為V，罐中氣體的壓強為p;乙罐的容積為2V，罐中氣體的壓強為p?，F(xiàn)通過連接兩罐的細(xì)管把甲罐中的部分氣體調(diào)配到乙罐中去，兩罐中氣體溫度相同且在調(diào)配過程中保持不變，調(diào)配后兩罐中氣體的壓強相等。求調(diào)配后：

（1）兩罐中氣體的壓強;

（2）甲罐中氣體的質(zhì)量與甲罐中原有氣體的質(zhì)量之比。

氣體調(diào)配類問題包含充氣、抽氣、分裝、漏氣等問題，對某一容器內(nèi)的氣體來說，是變質(zhì)量。但整體來看，氣體總質(zhì)量或總分子數(shù)不變，本質(zhì)上是氣體在不同容器間調(diào)配。其分析過程和處理策略是用整體法，依據(jù)調(diào)配前后氣體總分子數(shù)不變。

4? ? 對課堂教學(xué)的啟示與建議

熱力學(xué)是高中物理課程的重要組成部分，全國高考熱力學(xué)試題著重考查學(xué)生對熱力學(xué)實驗定律、理想氣體狀態(tài)方程等基礎(chǔ)知識的掌握情況以及推理和綜合分析應(yīng)用能力。在目前新舊高考銜接的形勢下，以科技前沿、社會熱點及與生產(chǎn)生活聯(lián)系的問題為背景的新情境試題也在增加，結(jié)合上述對近五年全國高考熱力學(xué)試題分析和處理的策略，現(xiàn)給出高中物理教學(xué)實踐中的幾點建議。

（1）加強基本物理概念和規(guī)律的教學(xué)。幫助學(xué)生形成知識網(wǎng)絡(luò)，建立知識體系，理清相互之間的區(qū)別與聯(lián)系。如在氣體實驗定律與理想氣體狀態(tài)方程的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)氣體實驗定律的六種組合方式推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程，理解理想氣體的狀態(tài)參量只與初、末狀態(tài)有關(guān)，與中間過程無關(guān)，弄清楚玻意耳定律、查理定律、蓋-呂薩克定律可看成理想氣體狀態(tài)方程在溫度恒定、體積恒定、壓強恒定時的特例。通過基本物理概念和規(guī)律的教學(xué)，讓學(xué)生掌握解決問題的分析思路、方法策略和基本步驟，加強學(xué)生運用規(guī)律分析和解決問題的能力。

（2）重視實驗探究教學(xué)和推理論證。教學(xué)中教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主探究，鼓勵學(xué)生自己主動完成探究的每一個過程，注意每一個細(xì)節(jié)，思考每一個關(guān)鍵點，設(shè)計、改進(jìn)和拓展實驗方法，與實際生活相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)精神;依托探究實驗，分組討論、合作探究的同時，強化推理論證，學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法，結(jié)合科學(xué)的探究過程培養(yǎng)科學(xué)思維能力[2]。如用控制變量法探究氣體實驗定律的氣體等溫變化規(guī)律，讓學(xué)生通過自主探究實驗得出玻意耳定律，并利用DIS與注射器、壓強傳感器連接改進(jìn)和創(chuàng)新探究實驗;通過氣體實驗定律推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程，提高推理論證能力、抽象思維能力和科學(xué)思維能力。

（3）重視物理模型構(gòu)建，歸類解決物理問題。高考試題的命題一般體現(xiàn)學(xué)科思想方法，因此，構(gòu)建模型、分析模型、歸類分析、應(yīng)用規(guī)律是教學(xué)的重點，應(yīng)該鉆研教材、分析試題，挖掘物理信息，掌握典型模型的分析方法與處理技巧。如重視對氣體狀態(tài)變化的基本過程分析和熱力學(xué)中平衡問題的處理，歸類建立活塞類、液柱類、氣體調(diào)配類模型;解題時比較題設(shè)條件，挖掘隱含條件，抓住關(guān)鍵字眼，必要時結(jié)合物理情境圖，抓住物理過程的階段性、規(guī)律性、聯(lián)系性，有時也利用假設(shè)法來確定變化的可能情況，在復(fù)雜問題中提取信息，注意“剛好”“恰好”等臨界條件，準(zhǔn)確把握題意和考查目的，實際教學(xué)中還充分開展拓展探究，多種方法求解，優(yōu)化思維品質(zhì)。

（4）重視深度講解和拓展教學(xué)。教師的講解要精細(xì)化，講解注意深度與技巧，引導(dǎo)學(xué)生弄清題目中的關(guān)鍵點，對各個過程的具體情況以及過程間的聯(lián)系點重點討論;例題的選擇要典型化，進(jìn)行變式拓展，多題歸一或一題多解，對不同情境下的問題進(jìn)行分析推理論證，發(fā)散學(xué)生思維，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。同時，教師的講解、解答過程一定要嚴(yán)格規(guī)范，對學(xué)生起到示范作用，引領(lǐng)學(xué)生夯實基礎(chǔ)，提高解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱行建，羅成.高考物理試題情境與問題契合類型分析研究——以2020年高考試題為例[J].物理教學(xué)探討，2021，39（07）：15-18.

[2]賈原潔. 基于情境類型學(xué)的物理試題量化分析——以2010—2019年高考物理試題為例[J].物理教學(xué)探討，2020， 38（04）：73-76

（欄目編輯? ? 陳? 潔）