热学情境化试题的一些解题策略

摘 要：新高考评价体系明确规定高考试题应以情境为载体，随着高考命题改革的不断深入，情境化试题在试卷中的占比会越来越高.以几道“情境化”热学试题为例，剖析其命题特点及考查要求，并提出对应的解题策略.

关键词：热学；情境化试题；考查要求；解题策略

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2024）13-0120-06

情境化试题具有“情境设置的真实性和实用性、信息呈现的多样性和关联性、试题条件的相关性和隐蔽性、问题解决的迁移性和拓展性”[1]等特点，能够较好地考查学生获取和处理信息、灵活运用物理知识和物理思想方法来分析和解决问题的能力，能更好地发挥“立德树人、服务选才、引导教学”的核心功能，备受命题专家青睐.为更好地应对“情境化”试题盛行的2024年新高考，本文以几道“情境化”热学试题为例，剖析其解题策略，以期对师生备考复习过程中的物理模型建构、思维策略优化和关键能力提升有所裨益.

1 以生产领域的热学情境问题，考查学生的建模能力及气体实验定律的应用能力

通过选择学生日常生产生活中能够接触、了解或者在视频中看到过的真实情境为载体，承载渗透劳动观念的育人功能，需要学生根据题目所给的图片和文字描述，通过阅读弄清其工作原理，恰当选择研究对象，构建出合适的物理模型，判定变化的状态参量，准确选用气体实验定律进行求解.

例1 （2023·广东天河区期末考试题）如图1所示，工人浇筑混凝土墙壁时，内部形成了一块气密性良好充满空气的空腔，墙壁导热性能良好.（1）空腔内气体的温度变化范围为-33 ℃～47 ℃，问空腔内气体的最小压强与最大压强之比；

（2）填充空腔前，需要测出空腔的容积.在墙上钻一个小孔，用细管将空腔和一个带有气压传感器的汽缸连通，形成密闭空间.当汽缸内气体体积为1 L时，传感器的示数为1.0 atm.将活塞缓慢下压，汽缸内气体体积为0.7 L时，传感器的示数为1.2 atm.求该空腔的容积.

解析 （1）以空腔内的气体为研究对象，气体做等容变化.设温度最低时，压强为p1，温度为T1=240 K；温度最高时，压强为p2，温度为T2=320 K；根据查理定律可知p1p2=T1T2，解得p1p2=34.

（2）设空腔的体积为V0，汽缸的容积为V，以整个系统内的气体为研究对象，则活塞未下压时气体的压强p3=1.0 atm，体积V1=V0+V，V=1 L，下压后气体的压强p4=1.2 atm，体积V2=V0+V′，V′=0.7 L，根据波意耳定律p3V1=p4V2，解得V0=0.8 L.

点评 本题以工人浇筑混凝土墙壁为情境，许多学生会望“境”生畏.其实，解答情境问题需要先进行必要的抽象、概括，忽略次要因素，抓住主要因素，找到气体实验定律的研究对象——“一定质量的理想气体”，及时排除各种情境干扰，尽快“拨云见日”，识别出其过程是等温、等容、等压，还是温度、体积、压强都变了，进而选用相应的规律来求解.本题中问题（2）中已将空腔与气缸连接为一个整体，所以要以整个系统的气体为研究对象，解题时要注意灵活转换研究对象，分析其状态变化，选用合适的物理规律来求解.

2 以生活领域的热学情境问题，考查力的平衡条件、气体实验定律及学生的建模能力

热学情境问题考查的核心知识主要是气体实验定律，也常加入平衡条件、牛顿第二定律的综合应用问题.这类问题往往要先以活塞、阀门等为研究对象，由力的平衡条件或牛顿第二定律求出压力，再根据压强公式求出压强（或列出压强表达式），最后回到另一研究对象——“一定质量的理想气体”去使用气体实验定律及理想气体状态方程进行解答.

例2 （2022·绍兴市高二期末考试题）如图2所示，左边是某款气压式升降椅，通过活塞上下运动来改变椅子的上下位置，右边为气缸柱放大结构图，气缸里充入一定量的密闭气体，圆柱形气缸内部横截面积为S=20 cm2，和底座一起固定，室内温度为T1=300 K，活塞上端被气缸上端卡环卡住，此刻气缸内部气体柱长L=30 cm，外部大气压为p1=1×105 pa，气缸内部气体压强p2=4p1，活塞、连接杆、椅子面总质量为m=5 kg，g=10 m/s2，不计任何摩擦，气体视为理想气体.

（1）若椅子上放了一个快递，活塞对气体做功20 J，一段时间后气缸内气体温度不变，判断缸内气体是吸热还是放热，求出该热量的大小.

（2）若椅子上不放任何东西，求活塞对卡环的作用力.

（3）某同学刚坐在椅子上不久，椅子高度下降Δh=4 cm，平衡后某时刻缸内气体温度为T2=

312 K，求该同学质量.图2 例2题图

解析 （1）因为气缸内气体温度不变，所以气体的内能不变，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，可得Q=-20 J，由此可知缸内气体放热，放出的热量为20 J.

（2）活塞静止不动处于平衡状态，以活塞为研究对象，根据力的平衡条件可得p1S+mg+F=p2S，根据牛顿第三定律得到F卡=F=550 N，活塞对卡环的弹力方向竖直向上.

（3）同学坐在椅子上使其高度下降，则气缸中的气体体积减小，温度升高，压强也发生了变化，根据理想气体状态方程有p2V1t1=p′2V2t2，得到p′2=4.8×105 pa，活塞静止不动处于平衡状态p1S+mg+Mg=P′2S，解得M=71 kg.

点评 本题以“某款气压式升降椅”为情境，抓住“气缸柱放大结构图”就能突破思维障碍，迅速找到气缸中的气体作为研究对象.第（2）问中要先以活塞作为研究对象，对其进行受力分析，利用力的平衡条件作为解题的突破口.第（3）问中气体的温度、体积和压强均发生了变化，要使用理想气体状态方程求解，且需要再次以活塞为研究对象才能求出该同学的质量，做题时要善于抓住“一定质量的理想气体”这个关键要素，灵活选择和转换研究对象，避免思维受阻.

3 以生活领域的热学情境问题，考查气体变质量问题的处理方法

生活领域的热学情境问题是学生常见的真实情境，也是高考命题常见的素材选取途径.而许多生活情境中的热学问题，往往涉及变质量气体问题，主要考查气体实验定律的推广形式及“整体法”处理研究对象的思想方法，对学生的想象力和分析综合能力要求较高.

例3 （2023·江西新余市期末质量检测题）桶装纯净水及压水装置原理如图3所示.柱形水桶直径为24 cm，高为35 cm；柱压水蒸气囊直径为6 cm，高为8 cm，水桶颈部的长度为10 cm.当人用力向下压气囊时，气囊中的空气被压入桶内，桶内气体的压强增大，水通过细出水管流出.已知水桶所在处大气压强相当于9 m水压产生的压强，当桶内的水还剩5 cm高时，桶内气体的压强等于大气压强，忽略水桶颈部的体积.至少需要把气囊完全压下几次，才能有水从出水管流出？（不考虑温度的变化）（  ）.

A. 1次   B. 2次   C. 3次   D. 4次

解析 首先要弄清实现水从出水管流出，是水桶中的气压作用在桶内水平上引起的，所以这里的研究对象包括了从气囊中压入桶内的气体和桶内原有的气体.设至少需要把气囊完全按压n次才能有水从出水管流出，设大气压强为p0，水桶内气体体积为V0，气囊体积为V1，因按压过程中气体的温度不变，根据玻意耳定律可得p0（V0+nV1）=p1V0，其中p0=ρgh=9ρg，V0=π（242）2×（35-5） cm3=4320π cm3，V1=π（62）2×8 cm3=72π cm3，p1=ρg（h+0.35-0.05+0.1）=9.4ρg，解得n=83，故至少需要把气囊完全按压3次，故ABD错误，C正确.

点评  通过按压气囊而使桶内水流出的工作原理很容易形成思维障碍，其实水的流出是在桶内气压作用下把水压入水管后从出水管口流出的，这是压强平衡问题.做题时要善于将情境简单化、理想化、模型化，紧紧抓住“一定质量的理想气体”这个关键要素，采用“整体法”来选择研究对象，将变质量问题转化为定质量问题，然后利用气体状态方程来列式求解.技巧就是想象用一个与水桶相通的“气球”将需要压入桶内的气体先装起来，形成一个连体的“容器”，然后以该容器内的气体为研究对象，分析其发生的物理过程，选用对应的物理规律列式求解.

4 以医学领域的热学情境问题，考查学生的理解能力与推理论证能力

以医学领域的热学情境问题具有渗透健康意识的功能，学生对这类情境较为陌生，心理上很容易产生恐惧感，直接影响到物理思维能力的正常发挥.其实，只要善于提取文字、图片、示意图中的信息，选择好研究对象，结合情境进行状态分析，就能顺利找到适合的物理过程及其对应的物理规律，进而列出正确的方程予以求解.

例4 （2023·广东茂名市期末考试题）肺活量是指在标准大气压p0下，人尽力吸气后呼出气体的体积，是衡量心肺功能的重要指标.如图4所示为某同学自行设计的肺活量测量装置，体积为V0的空腔通过细管与吹气口和外部玻璃管密封连接，玻璃管内装有密度为ρ的液体用来封闭气体.测量肺活量前，玻璃管两侧的液面高度相同.测量肺活量时，被测者尽力吸足空气，通过吹气口将肺部的空气尽力吹入空腔中，若此时玻璃管两侧的液面高度差为h，大气压为p0保持不变，重力加速度为g，忽略气体温度的变化和细管内气体的体积，求：

（1）人的肺活量；

（2）在标准状态下，某游泳运动员的肺活量为V=5.6 L，空气的摩尔体积为Vmol=22.4 L/mol，阿伏伽德罗常数NA=6.0×1023 mol-1，求该运动员一次能呼出的气体分子数n.（结果保留两位有效数字）

解析 （1）设人的肺活量为V，将空腔中的气体和运动员吹入空腔的气体整体作为研究对象，气体发生等温变化.初状态：p1=p0，V1=V0+V；末状态：p2，V2=V0.从图中可得压强关系p2=p0+ρgh，根据玻意耳定律有p1V1=p2V2，联立解得V=ρghp0V0.

（2）空气分子数n=VVmolNA，代入数值得n=1.5×1023个.

点评 要弄清“人的肺活量”是指一次尽力吸气后，再尽力呼出的气体总量，以体积来衡量其大小.结合题图可知，这里的研究对象应该是空腔中的原有气体和运动员吹入空腔的气体，而吹气的过程因视为等温变化过程（对这类既没有给出初、末温度，也不需要求温度变化量的问题都视为等温变化）；求运动员呼出的分子数则要用微观量与宏观量的桥梁——阿伏伽德罗常数来实现.

5 以学习探索情境命制热学问题，实现对创新能力与必备知识的考查功能

学习探索情境问题源于真实的研究过程或实际探索过程，涵盖学习探索与科学探究过程中所涉及的问题.题目中常见“某实验小组”或“某个同学”设计了一个什么装置或仪器之类的表达，解决这类问题必须运用创新的思维方式开展智力活动，对这个情境有了深入的认识和准确的理解后，再结合热学核心考点来解决问题.例5 （2023·湖北省十堰市期末考试题）某物理探究小组设计了一款火警报警装置，原理图如图5所示.汽缸通过细线悬挂在天花板下，质量m=300 g、横截面积S=15 cm2的活塞将一定质量的理想气体密封在导热汽缸内.起初环境的热力学温度T1=294 K时，活塞距汽缸底部的高度h=15 cm，当环境温度上升，活塞缓慢下移Δh=5 cm时，活塞表面（涂有导电物质）恰与a，b两触点接触，蜂鸣器发出报警声，不计活塞与汽缸之间的摩擦，外界大气压强p0=1×105pa，取重力加速度大小g=10 m/s2.（1）求缸内气体的压强p1；

（2）求蜂鸣器刚报警时密封气体的热力学温度T2；

（3）若蜂鸣器刚报警时气体的内能增加了10 J，求此过程中密封气体吸收的热量Q.

解析 （1）以活塞为研究对象进行受力分析，由力的平衡条件可得p0S=p1S+mg，解得p1=9.8×104 pa.

（2）环境温度上升使活塞缓慢下移的过程对活塞而言仍然是平衡状态，气缸中气体发生等压变化，则有hST1=（h+Δh）ST2，解得T2=392 K.

（3）由于气体等压膨胀对外做功，设气体对外界做的功为W，气体的内能增加了10 J，根据热力学第一定律有ΔU=W+Q，W=-p1·SΔh，解得Q=17.35 J.

点评  解答本题不能直接去以气缸中的气体为研究对象，而要以活塞为研究对象，通过力的平衡条件来求出压强，再以气缸中的气体为研究对象，这是解题思路能否顺畅的关键.解答时不要把情境考虑得过于复杂，要及时回到热学基本定律上来，牢记“万变不离其宗”这个命题特点，尽快走入解题正轨.

6以科技应用领域的热学情境问题，考查学生的理解能力及运用所学知识处理问题能力

以我国的重大科技领域成就来嵌入那些与热学考点契合的情境问题，让学生思考探究情境背后的物理原理，既激发了学生的爱国情怀，又能考查热学“必备知识”.要求学生能在新颖的试题情境下综合运用热学基本规律来思考问题，深刻地理解热学基本规律，并熟练运用于处理情境问题.

例6 （2023·广东湛江市期末调研测试题） 2023年2月10日0时16分，我国神舟十五号航天员经过约7小时的出舱活动，圆满完成全部舱外既定任务.航天员所着的舱外航天服为出舱作业提供了安全保障，如图6所示.出舱前，关闭航天服上的所有阀门，启动充气系统给气密层充气（可视为理想气体）.假定充气后，气密层内气体的体积为2 L，温度为30 ℃，压强为6.06×104 pa.经过一段时间，气体温度降至27 ℃，忽略此过程中气体体积的变化.

（1）求27 ℃时气密层内气体的压强p1；

（2）出舱后启动保温系统，维持气体的温度为27 ℃.因舱外气压较低，气密层内气体的体积将会膨胀.试求不放气的情况下，气密层内气体膨胀至3 L时的压强p2.

解析 （1）以气密层中的气体为研究对象，因题干中明确指出“忽略此过程中气体体积的变化.”所以气体发生等温变化，则根据查理定律，有p0T0=p1T1，其中p0=6.06×104pa，T0=（273+30）K=303 K，T1=（273+27）K=300 K.联立可得p1=p0T1T0=6×104 pa.

（2）出舱后启动保温系统，维持气体的温度为27 ℃，则气密层中的气体发生等温变化，根据玻意耳定律可得p1V1=p2V2，其中V1=2 L，V2=3 L，联立解得p2=p1V1V2=4×104 pa.

点评 本题中的图片仅仅是个情境图，其作用仅在于能引出这个试题，并看不到明朗的气体容器.研究对象是气密层中的气体，我们要善于发现这些不够具体的“容器”，思考研究对象发生的物理过程，探究其机制原理，辨析气体发生的物理过程到底是“等温”“等容”“等压”还是温度、体积和压强均发生了变化，然后使用对应的物理规律去解答问题，不要过多地思考情境而迷失方向.

7 以交通运输领域的热学情境问题，考查热学核心知识的迁移运用能力

有些情境问题其实只是加入一个情境以便引出需要考查的核心知识，学生作答时只要善于及时脱去其“情境面纱”，找到“气缸”模型，即可排除情境障碍和干扰，及时回到常规题型上来，轻车熟路地运用核心知识解决问题.

例7 （2023·江苏常熟中学期末考试题）图7是一种汽车空气减震器的模型，其主要构造是导热性良好的气缸和活塞，活塞面积为S=40 cm2，活塞通过连杆与车轮轴连接.将装有减震装置的轮子模拟汽车静止在斜坡上的情形，轮子固定在倾角为37°的斜面上，连杆与斜面垂直，初始时气缸内密闭理想气体的体积为V1=800 cm3，压强为p1=1.2×105 Pa，环境温度为T1=300 K，气缸与活塞间的摩擦忽略不计，大气压强始终为p0=1×105 Pa.现于气缸顶部固定一个物体A，稳定时气缸内气体体积缩小了200 cm3，该过程气体温度保持不变.重力加速度取g=10 m/s2.则图7 例7题图

（1）放上A物体待其稳定后，气缸对气体做功25 J，判断该过程气缸内气体是吸热还是放热？热量的大小为多少？

（2）求气缸和物体A的总质量M；

（3）由于环境温度变化，气缸内气体体积逐渐恢复到620  cm3.求体积恢复后的环境温度.

解析 （1）放上A物体待其稳定的过程中气体温度不变，所以内能不变，由热力学第一定律可知ΔU=W+Q=0，气缸的体积减小，气缸活塞对气体做正功，可知气缸内气体放热，放出的热量等于气缸对气体所做的正功，则有Q=25 J.

（2）放上A物体待其稳定后气体的体积V2=V1-ΔV1=600 cm3，由玻意耳定律p1V1=p2V2;

可解得p2=1.6×105 Pa，由气缸受力的平衡条件可得（p2-p0）S=Mgcos37°，解得M=30 kg.

（3）气缸内气体体积逐渐增大的过程是等压变化，由盖-吕萨克定律可得V2T1=V3T2，解得T2=310 K.

点评 命题者为契合考试要求，直接使用简化模型，解题时无需纠结于情境，顺理成章地按照题目的约定思路进入解题环节即可.需要注意的就是灵活在气缸与活塞之间选择合适的研究对象，将力的平衡关系与热力学定律、气体实验定律结合起来解决问题.

8 结束语

总之，情境化试题将成为未来高考命题的主要趋势，只有经历对具体情境问题的训练，才善于把理论应用于实践，避免那种“情境尚不清楚，急于搜索公式；方程尚不清楚，急于数学运算”的不良习惯[2].要让学生亲身经历由情境来建立物理模型、找到具体研究对象、弄清其物理过程、寻找适合的规律、正确列出方程，再经过数学计算得出正确结论的操作过程，才能切实提高解决热学情境问题的关键能力.

参考文献：［1］

胡道成.聚焦情境问题 培养关键能力[J].中学生理科应试，2023（3）：33-36.

[2] 李忠相.例谈日常生活情境类试题的命题要领[J].中学物理教与学，2023（6）：60-63.

［责任编辑：李 璟］