高考熱學命題特點及典題破解技巧

甘肅 田長軍

熱學出自高中物理教材《選修3-3》，是全國卷考生選考內容之一。從多年高三復習情況來看，無論是一輪復習還是二輪復習，大多數教師在復習課中一般按照教材的編排順序，將本部分內容放在最后復習。然而當復習到《選修3-3》內容時，多數學生已被前期的復習搞的身心疲憊，認為本部分內容難度不大，只需要考前簡單地看看書，做幾道題，記一些公式即可。而事實上，如果沒有真正搞懂知識點間的聯系，便不會靈活地運用所學的知識處理實際生活、工業生產中的具體問題，致使最終丟分較多。所以平時要多加練習，在熟練掌握基礎知識點的情況下，學會一定的解題方法和解題技巧，才能提高實際的解題能力。

一、2015—2019年全國卷熱學真題命題特點分析

通過對近五年全國卷高考熱學真題分析，可以得到以下特點：

1.《選修3-3》內容在全國理綜高考試卷中為選做題第33題，共設兩道小題。通常第一小題，除2019年為填空題外，其他年份均為選擇題，第二小題均為計算題。第一小題較容易，第二小題中等偏向容易。

2.第一小題中的高頻考點，一般考查分子動理論、內能、理想氣體和熱力學定律等熱學基本概念；第二小題主要考查氣體實驗定律的應用。

3.偶爾考查或未曾獨立命題的知識點為固體的微觀結構、晶體和非晶體、濕度、熱力學第二定律、用油膜法估測分子的大小、阿伏伽德羅常數、液晶的微觀結構、液體的表面張力現象、毛細現象、飽和蒸汽壓、能量守恒定律等。

4.考查學科核心素養為物質觀念、能量觀念和科學推理。

二、典型試題破解技巧

1.基本概念題

【例1】以下有關熱學內容的敘述，正確的是

( )

A.寒冷的冬天，在室外放置一根木棒和一根鐵棒足夠長時間，鐵棒的溫度比木棒的溫度低

B.分子間同時存在著引力和斥力，當分子間距離增大時，分子間的引力減小、斥力減小

C.密封在體積不變的容器中的氣體，溫度升高，氣體分子對器壁單位面積上的平均作用力增大

D.空氣的絕對濕度一定時，環境溫度越高，相對濕度越小

E.一定質量的理想氣體在等溫變化時，內能不改變，故與外界不發生熱交換

【解析】在室外放置一根木棒和一根鐵棒足夠長時間，鐵棒、木棒都與空氣達到熱平衡，所以具有相同的溫度，故A錯誤；分子間同時存在著引力和斥力，當分子間距離增大時，引力和斥力均減小，當分子間距離減小時，引力和斥力均增大，故B正確；由查理定律可得，密封的體積不變的氣體，溫度升高，壓強增大，故氣體分子對器壁單位面積上的平均作用力增大，故C正確；空氣中水蒸氣的實際壓強與同溫度下水的飽和氣壓之比叫做空氣的相對濕度，空氣絕對濕度不變時，溫度越高，水的飽和氣壓越大，空氣的相對濕度越小，故D正確；一定質量的理想氣體在等溫變化時，內能不改變，根據熱力學第一定律有ΔU=W+Q，可能是吸收熱量的同時對外做了功，也可能是放出熱量的同時外界對其做了功，故E錯誤。

【破解技巧】(1)全國卷熱學基本概念題常常在第33題第一小題出現，類型常為選擇題或填空題，若以5選3的選擇題形式出現，可用排除法，排除2個錯誤選項，其他3個選項都是正確選項，這樣可以節省時間；若存在沒有把握的選項，按高考給分規則，寧少選不多選。

(2)考查難度小，但涉及范圍廣，由于考查知識規律比較細，需要認真研讀教材，總結知識框架，結合生活實際，能用分子動理論解釋一些熱學現象。

【命題趨勢】第33題第一小題，有時單獨考查一個知識點，有時一個小題可能涉及熱學所有章節的內容，而且比較瑣碎。若考查熱學基本概念、基本常識和氣體實驗定律中的簡單問題，以選擇題形式出現的可能性大；若考查油膜法估測分子大小、微觀量與宏觀量的關系、氣體實驗定律中的簡單圖象問題和熱力學定律的綜合等，以填空題形式出現的可能性大。

2.氣體實驗定律、圖象和熱力學定律的綜合問題

【例2】如圖1所示，是一定質量的理想氣體的p-V圖象，理想氣體經歷從A→B→C→D→A的變化過程，其中D→A為等溫線。已知理想氣體在狀態D時溫度為T=400 K，則：

圖1

(ⅰ)理想氣體在狀態B時的溫度TB為多少？

(ⅱ)若理想氣體在C→D過程中內能減少300 J，則在C→D過程中理想氣體吸熱還是放熱？熱量變化了多少？

【解析】(ⅰ)D→A為等溫線，則TA=T=400 K

解得TB=1 000 K

(ⅱ)C→D過程壓強不變，由W=pΔV得

W=100 J

根據熱力學第一定律ΔU=W+Q得

Q=-400 J

故理想氣體放熱，放出400 J的熱量。

(3)等壓變化過程的功，即W=p·ΔV，然后結合其他條件，利用ΔU=W+Q進行相關計算。若氣體體積增大，氣體對外界做功，W<0；若氣體體積減小，外界對氣體做功，W>0。

【命題趨勢】氣體圖象可能會與氣體實驗定律、熱力學定律等知識點綜合考查，考查題型可能是選擇題、填空題或計算題。

3.“汽缸活塞”模型

【例3】如圖2所示，絕熱汽缸A與導熱汽缸B均固定于地面，由剛性桿連接的絕熱活塞與兩汽缸間均無摩擦，兩活塞之間為真空，汽缸B活塞的面積為汽缸A活塞面積的2倍。兩汽缸內裝有理想氣體，兩活塞處于平衡狀態，汽缸A中氣體的體積為V0，壓強為p0，溫度為T0，汽缸B中氣體的體積為2V0。緩慢加熱A中氣體，停止加熱達到穩定后，A中氣體壓強為原來的2倍。設環境溫度始終保持不變，汽缸A中活塞不會脫離汽缸A，求：

圖2

(ⅰ)停止加熱達到穩定后汽缸B中氣體的體積VB；

(ⅱ)停止加熱達到穩定后汽缸A中氣體的溫度TA。

末狀態選兩活塞為研究對象，根據平衡條件有

解得汽缸B中氣體體積VB=V0

解得TA=3T0

【破解技巧】(1)“汽缸活塞”模型中，首先，要考慮活塞質量是否忽略，活塞與哪些物體相連，都受到哪些力。如圖3所示，是對豎直方向上放置的活塞的受力分析情況，若活塞處于平衡狀態，則p0S+mg=pS，即可求解壓強；若活塞向上做勻加速直線運動，則pS-p0S-mg=ma，也可求解壓強。

圖3

【命題趨勢】“汽缸活塞”模型是考查氣體實驗定律的重要載體。對活塞而言，可能將兩不同橫截面的活塞通過桿或細繩連接，也可能將活塞傾斜放置，還可能讓活塞做加速運動；對于氣體而言，考題出現氣體關聯的可能性較大。

4.“玻璃管液柱”模型

【例4】如圖4所示，內徑均勻的彎曲玻璃管ABCDE兩端開口，AB、CD段豎直，BC、DE段水平，AB=90 cm，BC=40 cm，CD=60 cm，豎直段CD內有一長10 cm的水銀柱。在環境溫度為300 K時，保持BC段水平，將玻璃管A端緩慢豎直向下插入大水銀槽中，使A端在水銀面下10 cm，此時CD段中的水銀柱上端距C點10 cm。已知大氣壓為75 cmHg 且保持不變。

圖4

(ⅰ)環境溫度緩慢升高，求溫度升高到多少時，CD段中水銀柱下端剛剛接觸D點；

(ⅱ)環境溫度在(ⅰ)問的基礎上再緩慢升高，求溫度升高到多少時，CD段中水銀柱剛好全部進入水平管DE。(計算結果保留三位有效數字)

圖5

圖6

(2)涉及封閉氣體的多過程問題時，對于多過程問題，要確定每個有效的“子過程”及其性質，選用合適的實驗定律，并充分應用各“子過程”間的有效關聯。解答時，特別注意變化過程中可能出現的“臨界點”，找出“臨界點”對應的狀態參量，在“臨界點”的前、后可以形成不同的“子過程”。

(3)若系統處于靜止狀態，用力的平衡條件處理；若系統處于勻變速直線運動狀態，則用牛頓第二定律處理，具體做法是：選取液柱為研究對象，通過液柱產生的壓強求加速段液柱兩端的力，對液柱進行受力分析，并用牛頓第二定律求解。

【命題趨勢】“玻璃管液柱”模型可能會與“汽缸活塞”模型綜合命題，也可能會與圖象、熱力學定律等其他問題綜合命題，還可能涉及玻璃管漏液或向玻璃管中加液的問題。

5.“變質量氣體”模型

【例5】某艘潛艇最大下潛深度可達300 m，某次在執行任務時位于水面下h=150 m處，艇上有一容積V1=2 m3的貯氣鋼筒，筒內貯有壓縮空氣，其壓強p1=200 atm，每次將筒內一部分空氣壓入水箱(水箱由排水孔與海水相連)，排出海水的體積ΔV=0.9 m3，當貯氣鋼筒中的壓強降低到p2=20 atm時，需重新充氣。設潛艇保持水面下深度不變，在排水過程中氣體的溫度不變，水面上空氣壓強p0=1 atm，取海水密度ρ=1.0×103kg/m3，重力加速度g=10 m/s2，1 atm=1×105Pa。求該貯氣鋼筒重新充氣前可將筒內空氣壓入水箱的次數。

【解析】設貯氣鋼筒內氣體的壓強變為p2時，體積V2，根據玻意耳定律得p2V2=p1V1

重新充氣前，用去的氣體在p2壓強下的體積為

V3=V2-V1

設用去的氣體在水箱壓強為p4時的體積為V4，根據玻意爾定律得p2V3=p4V4

解得N=25

【破解技巧】一般都要選取合適的研究對象，將變質量問題合理地轉化為定質量問題，運用氣體實驗定律來求解。(1)充氣問題：設想將充進容器內的氣體用一個無形的彈性口袋收集起來，當我們選取容器和口袋內的全部氣體為研究對象時，這些氣體狀態不管怎樣變化，其質量總是不變的。這樣就將變質量問題轉化為定質量問題。(2)抽氣問題：用抽氣筒對容器抽氣的過程中，對每一次抽氣而言，氣體質量發生變化，其解決方法同充氣問題類似，假設把每次抽出的氣體包含在氣體變化的始末狀態中，即把變質量問題轉化為定質量問題。(3)灌氣問題：將一個大容器里的氣體分裝到多個小容器中的問題，可以把大容器中的氣體和多個小容器中的氣體看作整體，作為研究對象，可將變質量問題轉化為定質量問題。(4)漏氣問題：容器漏氣過程中氣體的質量不斷發生變化，不能用理想氣體狀態方程求解。如果選容器內剩余氣體為研究對象，可將變質量問題轉化為定質量問題。