近五年全国卷热力学试题的分析与教学建议

陈志军

摘   要：文章通过对近五年高考全国卷热力学试题的命题规律进行梳理与分析，构建三类典型模型，结合真题给出具体的处理策略，并据此对新旧高考衔接模式下的课堂教学提出相应建议。

关键词：热力学;高考;科学思维;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）3-0043-4

1    引  言

热学是目前高考物理全国卷的选考部分，对应高考全国卷理综试题第33题，分两小题。第一小题6分，一般是五选三的选择题，不过也有填空题，大多数考查分子动理论、内能、理想气体和热力学定律等热学主干知识的物理学史、物理观念及概念等;第二小题10分，以计算题大题的形式出现，以热力学定律以及推论为依据，考查学生对热学基础知识的掌握情况及推理能力和综合分析应用能力。热力学试题的考查要求相对于物理压轴题而言，虽然要求不高、难度不大，但由于涉及范围比较广、知识点理论性强、微观与宏观结合等因素，使得考生得分情况不太乐观。面临这种现状，我们应该认真反思和研究对策[1]。本文就近五年高考全国卷热力学试题的命题规律进行梳理与分析，构建起三类典型模型，并结合真题给出了具体的处理策略，对新旧高考衔接模式下的课堂教学提出了建议。

2    近五年高考全国卷热力学试题分析

近五年高考全国卷热力学试题以热力学定律、理想气体状态方程为依据，考查学生的分析能力和知识综合应用能力。近两年来热力学考题中还出现了以科技前沿、社会热点等问题为背景，对学生自主学习和创新能力进行考查的新情境试题。近五年全国高考热力学试题主要涉及到两大块：一是一定质量的封闭气体，会结合活塞、气缸、液柱等模型进行命题，有时候还结合热力学第一定律以及图像命题;二是“变”质量气体问题，涉及到充气、放气、分装、漏气等气体调配问题。具体情况如表1所示。

从表1可以看出，近五年高考全国卷热力学试题的知识点、命题情境、问题装置等都在发生变化，但物理概念、规律、处理方法都是有章可循的。命题聚焦气体实验定律和理想气体的状态方程，结合力的平衡以及气体做功等知识点，要求学生能正确审题、明确研究对象，并根据题目明确研究对象的变化过程，找到各变化过程的联系，结合活塞、液柱平衡求气体末态情况。题目意在要强化学生应用数学处理物理问题的能力，培养学生的模型构建、科学推理、假设判断的科学思维素养。

近五年高考全国卷热力学试题从模型上看主要分为活塞类、液柱类和气体调配类。其中，活塞类问题又分为单活塞双气体、单活塞单气体和“工”字型活塞。2017年卷Ⅰ、2018年卷Ⅰ、2021年甲卷均为单活塞双气体问题，2018年卷Ⅱ为单活塞单气体问题，2019年卷Ⅱ为“工”字型活塞问题。液柱类问题又分为单气体液柱和双气体液柱，2017年卷Ⅲ、2019年卷Ⅲ、2020年卷Ⅱ、2020年卷Ⅲ均为单气体液柱问题，2018年卷Ⅲ、2021年乙卷为双气体液柱问题。2019年卷Ⅰ、2020年卷Ⅰ为气体调配类问题。活塞类问题和液柱类问题，均考查气体实验定律和活塞、液柱的受力平衡情况，有些还考查临界问题。由于活塞的移动和液柱高低的变化，此类问题经常涉及到气体体积或气柱长度的变化关系。气体调配问题均在温度不变的前提下，考查理想气体的状态方程及其推论。

3    高考热力学试题的处理方法与策略

高考热力学试题的分析方法与处理策略：

（1）要明确研究对象，一是热学对象，即对象是哪部分气体，质量是否一定，是单气体还是双气体;二是力学研究对象，即对象是活塞、液柱、气缸还是系统。

（2）明确气体变化过程中，气体的压强、体积、温度有没有不变的参量，写出气体初、末状态的压强、体积和温度参量。

（3）根据气体实验定律结合不变量建立状态方程。

（4）结合活塞、液柱受力分析后的平衡方程，找到气体初、末状态压强的关系以及活塞移动或液柱高低变化以后气体体积的关系。

（5）联立求解，必要时进行检验，看是否满足临界条件、液体溢出、活塞被挡住等情况。

近五年高考全国卷热力学试题主要分为活塞类、液柱类和气体调配类，以下分别从这三类模型的处理策略来具体说明。

3.1    活塞类

例1 （2018年高考全国卷Ⅱ）如图1，一竖直放置的气缸上端开口，气缸壁内有卡口a和b，a、b间距为h，a距缸底的高度为H;活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定質量的理想气体。已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略;活塞和气缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦。开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝缓慢加热气缸中的气体，直至活塞刚好到达b处。求此时气缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功。重力加速度大小为g。

分析过程和处理策略从以下几个方面进行：

（1）明确研究对象是活塞和气缸封闭的气体，是单气体，没有气体调配。

（2）活塞上升的原因是气体被缓慢加热，温度缓慢升高，考虑到开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，分析出活塞此时并没有立即上升，进而确定体积不变、温度升高，是一个等容变化过程。

（3）分析活塞的受力情况，确定活塞开始上升时的压强，根据查理定律确定此时气体的温度。

（4）气体温度继续升高，分析出活塞缓慢上升，一直平衡，压强不变，是等压变化过程。刚好到达b处时的体积可以从图中确定，根据盖-吕萨克定律确定此时的温度。

（5）分析哪一个过程气体对外做功，恒力还是变力，如何求解所做功的大小。

学生对本题气体状态过程可能不清楚，会错误认为整个过程是等压变化或认为开始加热时活塞就上升，教学中可引导学生全过程分析，写出最初和最末状态的压强、体积、温度，直接用理想气体状态方程求解。活塞类题目分析的关键是对活塞进行受力分析，从而准确研究气体的压强变化;同时，根据题目信息准确分析变化过程，提炼出所研究的气体是等容变化还是等压或等温变化。如果是“工”字型活塞，则要注意“工”字型中间是杆还是绳，往往用整体法，考查两边距离的变化和体积的变化以及整体与隔离结合的平衡条件。

3.2    液柱类

例2 （2021年高考全国乙卷） 如图2，一玻璃装置放在水平桌面上，竖直玻璃管A、B、C粗细均匀，A、B两管的上端封闭，C管上端开口，三管的下端在同一水平面内且相互连通。A、B两管的长度分别为l1=13.5 cm，l2=32 cm。将水银从C管缓慢注入，直至B、C两管内水银柱的高度差h=5 cm。已知外界大气压为p0=75 cmHg，求A、B两管内水银柱的高度差。

分析过程和处理策略从以下几个方面进行：

（1）明确研究的力学对象是两液面相差的液柱，热学对象是被水银封闭的A管和B管内的气体，是双气体，没有气体调配。

（2）明确注入水银是等温变化，写出注入水银前和注入水银后A管和B管内的气体压强以及气体的体积，分别对A管和B管内的气体根据玻意耳定律列方程，找到压强和体积的关系。

（3）分析A、B、C管液面相差的液柱的受力情况，确定压强关系和高度差的变化关系。

（4）联立压强关系、体积关系、高度或高度变化关系求解，并对实验结果进行讨论取舍。

液柱题目分析的关键是对两液面相差的液柱受力分析，根据平衡方程确定两液面上气体的压强关系，对封闭的气体分别运用气体状态方程，结合气体、液柱体积或长度变化关系求解。

3.3    气体调配类

例3 （2020年全国卷Ι）甲、乙两个储气罐储存有同种气体（可视为理想气体）。甲罐的容积为V，罐中气体的压强为p;乙罐的容积为2V，罐中气体的压强为p。现通过连接两罐的细管把甲罐中的部分气体调配到乙罐中去，两罐中气体温度相同且在调配过程中保持不变，调配后两罐中气体的压强相等。求调配后：

（1）两罐中气体的压强;

（2）甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比。

气体调配类问题包含充气、抽气、分装、漏气等问题，对某一容器内的气体来说，是变质量。但整体来看，气体总质量或总分子数不变，本质上是气体在不同容器间调配。其分析过程和处理策略是用整体法，依据调配前后气体总分子数不变。

4    对课堂教学的启示与建议

热力学是高中物理课程的重要组成部分，全国高考热力学试题着重考查学生对热力学实验定律、理想气体状态方程等基础知识的掌握情况以及推理和综合分析应用能力。在目前新旧高考衔接的形势下，以科技前沿、社会热点及与生产生活联系的问题为背景的新情境试题也在增加，结合上述对近五年全国高考热力学试题分析和处理的策略，现给出高中物理教学实践中的几点建议。

（1）加强基本物理概念和规律的教学。帮助学生形成知识网络，建立知识体系，理清相互之间的区别与联系。如在气体实验定律与理想气体状态方程的教学中，引导学生根据气体实验定律的六种组合方式推导理想气体状态方程，理解理想气体的状态参量只与初、末状态有关，与中间过程无关，弄清楚玻意耳定律、查理定律、盖-吕萨克定律可看成理想气体状态方程在温度恒定、体积恒定、压强恒定时的特例。通过基本物理概念和规律的教学，让学生掌握解决问题的分析思路、方法策略和基本步骤，加强学生运用规律分析和解决问题的能力。

（2）重视实验探究教学和推理论证。教学中教师可以引导学生自主探究，鼓勵学生自己主动完成探究的每一个过程，注意每一个细节，思考每一个关键点，设计、改进和拓展实验方法，与实际生活相联系，培养学生的科学探究能力和科学精神;依托探究实验，分组讨论、合作探究的同时，强化推理论证，学习科学的探究方法，结合科学的探究过程培养科学思维能力[2]。如用控制变量法探究气体实验定律的气体等温变化规律，让学生通过自主探究实验得出玻意耳定律，并利用DIS与注射器、压强传感器连接改进和创新探究实验;通过气体实验定律推导理想气体状态方程，提高推理论证能力、抽象思维能力和科学思维能力。

（3）重视物理模型构建，归类解决物理问题。高考试题的命题一般体现学科思想方法，因此，构建模型、分析模型、归类分析、应用规律是教学的重点，应该钻研教材、分析试题，挖掘物理信息，掌握典型模型的分析方法与处理技巧。如重视对气体状态变化的基本过程分析和热力学中平衡问题的处理，归类建立活塞类、液柱类、气体调配类模型;解题时比较题设条件，挖掘隐含条件，抓住关键字眼，必要时结合物理情境图，抓住物理过程的阶段性、规律性、联系性，有时也利用假设法来确定变化的可能情况，在复杂问题中提取信息，注意“刚好”“恰好”等临界条件，准确把握题意和考查目的，实际教学中还充分开展拓展探究，多种方法求解，优化思维品质。

（4）重视深度讲解和拓展教学。教师的讲解要精细化，讲解注意深度与技巧，引导学生弄清题目中的关键点，对各个过程的具体情况以及过程间的联系点重点讨论;例题的选择要典型化，进行变式拓展，多题归一或一题多解，对不同情境下的问题进行分析推理论证，发散学生思维，促进深度学习。同时，教师的讲解、解答过程一定要严格规范，对学生起到示范作用，引领学生夯实基础，提高解决问题的能力。

参考文献：

[1]朱行建，罗成.高考物理试题情境与问题契合类型分析研究——以2020年高考试题为例[J].物理教学探讨，2021，39（07）：15-18.

[2]贾原洁. 基于情境类型学的物理试题量化分析——以2010—2019年高考物理试题为例[J].物理教学探讨，2020， 38（04）：73-76

（栏目编辑    陈  洁）