熱學情境化試題的一些解題策略

摘?要：新高考評價體系明確規定高考試題應以情境為載體，隨著高考命題改革的不斷深入，情境化試題在試卷中的占比會越來越高.以幾道“情境化”熱學試題為例，剖析其命題特點及考查要求，并提出對應的解題策略.

關鍵詞：熱學；情境化試題；考查要求；解題策略

中圖分類號：G632???文獻標識碼：A???文章編號：1008-0333（2024）13-0120-06

情境化試題具有“情境設置的真實性和實用性、信息呈現的多樣性和關聯性、試題條件的相關性和隱蔽性、問題解決的遷移性和拓展性”[1]等特點，能夠較好地考查學生獲取和處理信息、靈活運用物理知識和物理思想方法來分析和解決問題的能力，能更好地發揮“立德樹人、服務選才、引導教學”的核心功能，備受命題專家青睞.為更好地應對“情境化”試題盛行的2024年新高考，本文以幾道“情境化”熱學試題為例，剖析其解題策略，以期對師生備考復習過程中的物理模型建構、思維策略優化和關鍵能力提升有所裨益.

1 以生產領域的熱學情境問題，考查學生的建模能力及氣體實驗定律的應用能力

通過選擇學生日常生產生活中能夠接觸、了解或者在視頻中看到過的真實情境為載體，承載滲透勞動觀念的育人功能，需要學生根據題目所給的圖片和文字描述，通過閱讀弄清其工作原理，恰當選擇研究對象，構建出合適的物理模型，判定變化的狀態參量，準確選用氣體實驗定律進行求解.

例1?（2023·廣東天河區期末考試題）如圖1所示，工人澆筑混凝土墻壁時，內部形成了一塊氣密性良好充滿空氣的空腔，墻壁導熱性能良好.（1）空腔內氣體的溫度變化范圍為-33 ℃～47 ℃，問空腔內氣體的最小壓強與最大壓強之比；

（2）填充空腔前，需要測出空腔的容積.在墻上鉆一個小孔，用細管將空腔和一個帶有氣壓傳感器的汽缸連通，形成密閉空間.當汽缸內氣體體積為1 L時，傳感器的示數為1.0 atm.將活塞緩慢下壓，汽缸內氣體體積為0.7 L時，傳感器的示數為1.2 atm.求該空腔的容積.

解析?（1）以空腔內的氣體為研究對象，氣體做等容變化.設溫度最低時，壓強為p1，溫度為T1=240 K；溫度最高時，壓強為p2，溫度為T2=320 K；根據查理定律可知p1p2=T1T2，解得p1p2=34.

（2）設空腔的體積為V0，汽缸的容積為V，以整個系統內的氣體為研究對象，則活塞未下壓時氣體的壓強p3=1.0 atm，體積V1=V0+V，V=1 L，下壓后氣體的壓強p4=1.2 atm，體積V2=V0+V′，V′=0.7 L，根據波意耳定律p3V1=p4V2，解得V0=0.8 L.

點評?本題以工人澆筑混凝土墻壁為情境，許多學生會望“境”生畏.其實，解答情境問題需要先進行必要的抽象、概括，忽略次要因素，抓住主要因素，找到氣體實驗定律的研究對象——“一定質量的理想氣體”，及時排除各種情境干擾，盡快“撥云見日”，識別出其過程是等溫、等容、等壓，還是溫度、體積、壓強都變了，進而選用相應的規律來求解.本題中問題（2）中已將空腔與氣缸連接為一個整體，所以要以整個系統的氣體為研究對象，解題時要注意靈活轉換研究對象，分析其狀態變化，選用合適的物理規律來求解.

2 以生活領域的熱學情境問題，考查力的平衡條件、氣體實驗定律及學生的建模能力

熱學情境問題考查的核心知識主要是氣體實驗定律，也常加入平衡條件、牛頓第二定律的綜合應用問題.這類問題往往要先以活塞、閥門等為研究對象，由力的平衡條件或牛頓第二定律求出壓力，再根據壓強公式求出壓強（或列出壓強表達式），最后回到另一研究對象——“一定質量的理想氣體”去使用氣體實驗定律及理想氣體狀態方程進行解答.

例2?（2022·紹興市高二期末考試題）如圖2所示，左邊是某款氣壓式升降椅，通過活塞上下運動來改變椅子的上下位置，右邊為氣缸柱放大結構圖，氣缸里充入一定量的密閉氣體，圓柱形氣缸內部橫截面積為S=20 cm2，和底座一起固定，室內溫度為T1=300 K，活塞上端被氣缸上端卡環卡住，此刻氣缸內部氣體柱長L=30 cm，外部大氣壓為p1=1×105 pa，氣缸內部氣體壓強p2=4p1，活塞、連接桿、椅子面總質量為m=5 kg，g=10 m/s2，不計任何摩擦，氣體視為理想氣體.

（1）若椅子上放了一個快遞，活塞對氣體做功20 J，一段時間后氣缸內氣體溫度不變，判斷缸內氣體是吸熱還是放熱，求出該熱量的大小.

（2）若椅子上不放任何東西，求活塞對卡環的作用力.

（3）某同學剛坐在椅子上不久，椅子高度下降Δh=4 cm，平衡后某時刻缸內氣體溫度為T2=

312 K，求該同學質量.圖2?例2題圖

解析?（1）因為氣缸內氣體溫度不變，所以氣體的內能不變，根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，可得Q=-20 J，由此可知缸內氣體放熱，放出的熱量為20 J.

（2）活塞靜止不動處于平衡狀態，以活塞為研究對象，根據力的平衡條件可得p1S+mg+F=p2S，根據牛頓第三定律得到F卡=F=550 N，活塞對卡環的彈力方向豎直向上.

（3）同學坐在椅子上使其高度下降，則氣缸中的氣體體積減小，溫度升高，壓強也發生了變化，根據理想氣體狀態方程有p2V1t1=p′2V2t2，得到p′2=4.8×105 pa，活塞靜止不動處于平衡狀態p1S+mg+Mg=P′2S，解得M=71 kg.

點評?本題以“某款氣壓式升降椅”為情境，抓住“氣缸柱放大結構圖”就能突破思維障礙，迅速找到氣缸中的氣體作為研究對象.第（2）問中要先以活塞作為研究對象，對其進行受力分析，利用力的平衡條件作為解題的突破口.第（3）問中氣體的溫度、體積和壓強均發生了變化，要使用理想氣體狀態方程求解，且需要再次以活塞為研究對象才能求出該同學的質量，做題時要善于抓住“一定質量的理想氣體”這個關鍵要素，靈活選擇和轉換研究對象，避免思維受阻.

3 以生活領域的熱學情境問題，考查氣體變質量問題的處理方法

生活領域的熱學情境問題是學生常見的真實情境，也是高考命題常見的素材選取途徑.而許多生活情境中的熱學問題，往往涉及變質量氣體問題，主要考查氣體實驗定律的推廣形式及“整體法”處理研究對象的思想方法，對學生的想象力和分析綜合能力要求較高.

例3?（2023·江西新余市期末質量檢測題）桶裝純凈水及壓水裝置原理如圖3所示.柱形水桶直徑為24 cm，高為35 cm；柱壓水蒸氣囊直徑為6 cm，高為8 cm，水桶頸部的長度為10 cm.當人用力向下壓氣囊時，氣囊中的空氣被壓入桶內，桶內氣體的壓強增大，水通過細出水管流出.已知水桶所在處大氣壓強相當于9 m水壓產生的壓強，當桶內的水還剩5 cm高時，桶內氣體的壓強等于大氣壓強，忽略水桶頸部的體積.至少需要把氣囊完全壓下幾次，才能有水從出水管流出？（不考慮溫度的變化）（??）.

A. 1次???B. 2次 ??C. 3次???D. 4次

解析?首先要弄清實現水從出水管流出，是水桶中的氣壓作用在桶內水平上引起的，所以這里的研究對象包括了從氣囊中壓入桶內的氣體和桶內原有的氣體.設至少需要把氣囊完全按壓n次才能有水從出水管流出，設大氣壓強為p0，水桶內氣體體積為V0，氣囊體積為V1，因按壓過程中氣體的溫度不變，根據玻意耳定律可得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，故至少需要把氣囊完全按壓3次，故ABD錯誤，C正確.

點評??通過按壓氣囊而使桶內水流出的工作原理很容易形成思維障礙，其實水的流出是在桶內氣壓作用下把水壓入水管后從出水管口流出的，這是壓強平衡問題.做題時要善于將情境簡單化、理想化、模型化，緊緊抓住“一定質量的理想氣體”這個關鍵要素，采用“整體法”來選擇研究對象，將變質量問題轉化為定質量問題，然后利用氣體狀態方程來列式求解.技巧就是想象用一個與水桶相通的“氣球”將需要壓入桶內的氣體先裝起來，形成一個連體的“容器”，然后以該容器內的氣體為研究對象，分析其發生的物理過程，選用對應的物理規律列式求解.

4 以醫學領域的熱學情境問題，考查學生的理解能力與推理論證能力

以醫學領域的熱學情境問題具有滲透健康意識的功能，學生對這類情境較為陌生，心理上很容易產生恐懼感，直接影響到物理思維能力的正常發揮.其實，只要善于提取文字、圖片、示意圖中的信息，選擇好研究對象，結合情境進行狀態分析，就能順利找到適合的物理過程及其對應的物理規律，進而列出正確的方程予以求解.

例4?（2023·廣東茂名市期末考試題）肺活量是指在標準大氣壓p0下，人盡力吸氣后呼出氣體的體積，是衡量心肺功能的重要指標.如圖4所示為某同學自行設計的肺活量測量裝置，體積為V0的空腔通過細管與吹氣口和外部玻璃管密封連接，玻璃管內裝有密度為ρ的液體用來封閉氣體.測量肺活量前，玻璃管兩側的液面高度相同.測量肺活量時，被測者盡力吸足空氣，通過吹氣口將肺部的空氣盡力吹入空腔中，若此時玻璃管兩側的液面高度差為h，大氣壓為p0保持不變，重力加速度為g，忽略氣體溫度的變化和細管內氣體的體積，求：

（1）人的肺活量；

（2）在標準狀態下，某游泳運動員的肺活量為V=5.6 L，空氣的摩爾體積為Vmol=22.4 L/mol，阿伏伽德羅常數NA=6.0×1023 mol-1，求該運動員一次能呼出的氣體分子數n.（結果保留兩位有效數字）

解析?（1）設人的肺活量為V，將空腔中的氣體和運動員吹入空腔的氣體整體作為研究對象，氣體發生等溫變化.初狀態：p1=p0，V1=V0+V；末狀態：p2，V2=V0.從圖中可得壓強關系p2=p0+ρgh，根據玻意耳定律有p1V1=p2V2，聯立解得V=ρghp0V0.

（2）空氣分子數n=VVmolNA，代入數值得n=1.5×1023個.

點評?要弄清“人的肺活量”是指一次盡力吸氣后，再盡力呼出的氣體總量，以體積來衡量其大小.結合題圖可知，這里的研究對象應該是空腔中的原有氣體和運動員吹入空腔的氣體，而吹氣的過程因視為等溫變化過程（對這類既沒有給出初、末溫度，也不需要求溫度變化量的問題都視為等溫變化）；求運動員呼出的分子數則要用微觀量與宏觀量的橋梁——阿伏伽德羅常數來實現.

5 以學習探索情境命制熱學問題，實現對創新能力與必備知識的考查功能

學習探索情境問題源于真實的研究過程或實際探索過程，涵蓋學習探索與科學探究過程中所涉及的問題.題目中常見“某實驗小組”或“某個同學”設計了一個什么裝置或儀器之類的表達，解決這類問題必須運用創新的思維方式開展智力活動，對這個情境有了深入的認識和準確的理解后，再結合熱學核心考點來解決問題.例5?（2023·湖北省十堰市期末考試題）某物理探究小組設計了一款火警報警裝置，原理圖如圖5所示.汽缸通過細線懸掛在天花板下，質量m=300 g、橫截面積S=15 cm2的活塞將一定質量的理想氣體密封在導熱汽缸內.起初環境的熱力學溫度T1=294 K時，活塞距汽缸底部的高度h=15 cm，當環境溫度上升，活塞緩慢下移Δh=5 cm時，活塞表面（涂有導電物質）恰與a，b兩觸點接觸，蜂鳴器發出報警聲，不計活塞與汽缸之間的摩擦，外界大氣壓強p0=1×105pa，取重力加速度大小g=10 m/s2.（1）求缸內氣體的壓強p1；

（2）求蜂鳴器剛報警時密封氣體的熱力學溫度T2；

（3）若蜂鳴器剛報警時氣體的內能增加了10 J，求此過程中密封氣體吸收的熱量Q.

解析?（1）以活塞為研究對象進行受力分析，由力的平衡條件可得p0S=p1S+mg，解得p1=9.8×104 pa.

（2）環境溫度上升使活塞緩慢下移的過程對活塞而言仍然是平衡狀態，氣缸中氣體發生等壓變化，則有hST1=（h+Δh）ST2，解得T2=392 K.

（3）由于氣體等壓膨脹對外做功，設氣體對外界做的功為W，氣體的內能增加了10 J，根據熱力學第一定律有ΔU=W+Q，W=-p1·SΔh，解得Q=17.35 J.

點評 ?解答本題不能直接去以氣缸中的氣體為研究對象，而要以活塞為研究對象，通過力的平衡條件來求出壓強，再以氣缸中的氣體為研究對象，這是解題思路能否順暢的關鍵.解答時不要把情境考慮得過于復雜，要及時回到熱學基本定律上來，牢記“萬變不離其宗”這個命題特點，盡快走入解題正軌.

6以科技應用領域的熱學情境問題，考查學生的理解能力及運用所學知識處理問題能力

以我國的重大科技領域成就來嵌入那些與熱學考點契合的情境問題，讓學生思考探究情境背后的物理原理，既激發了學生的愛國情懷，又能考查熱學“必備知識”.要求學生能在新穎的試題情境下綜合運用熱學基本規律來思考問題，深刻地理解熱學基本規律，并熟練運用于處理情境問題.

例6?（2023·廣東湛江市期末調研測試題） 2023年2月10日0時16分，我國神舟十五號航天員經過約7小時的出艙活動，圓滿完成全部艙外既定任務.航天員所著的艙外航天服為出艙作業提供了安全保障，如圖6所示.出艙前，關閉航天服上的所有閥門，啟動充氣系統給氣密層充氣（可視為理想氣體）.假定充氣后，氣密層內氣體的體積為2 L，溫度為30 ℃，壓強為6.06×104 pa.經過一段時間，氣體溫度降至27 ℃，忽略此過程中氣體體積的變化.

（1）求27 ℃時氣密層內氣體的壓強p1；

（2）出艙后啟動保溫系統，維持氣體的溫度為27 ℃.因艙外氣壓較低，氣密層內氣體的體積將會膨脹.試求不放氣的情況下，氣密層內氣體膨脹至3 L時的壓強p2.

解析?（1）以氣密層中的氣體為研究對象，因題干中明確指出“忽略此過程中氣體體積的變化.”所以氣體發生等溫變化，則根據查理定律，有p0T0=p1T1，其中p0=6.06×104pa，T0=（273+30）K=303 K，T1=（273+27）K=300 K.聯立可得p1=p0T1T0=6×104 pa.

（2）出艙后啟動保溫系統，維持氣體的溫度為27 ℃，則氣密層中的氣體發生等溫變化，根據玻意耳定律可得p1V1=p2V2，其中V1=2 L，V2=3 L，聯立解得p2=p1V1V2=4×104 pa.

點評?本題中的圖片僅僅是個情境圖，其作用僅在于能引出這個試題，并看不到明朗的氣體容器.研究對象是氣密層中的氣體，我們要善于發現這些不夠具體的“容器”，思考研究對象發生的物理過程，探究其機制原理，辨析氣體發生的物理過程到底是“等溫”“等容”“等壓”還是溫度、體積和壓強均發生了變化，然后使用對應的物理規律去解答問題，不要過多地思考情境而迷失方向.

7 以交通運輸領域的熱學情境問題，考查熱學核心知識的遷移運用能力

有些情境問題其實只是加入一個情境以便引出需要考查的核心知識，學生作答時只要善于及時脫去其“情境面紗”，找到“氣缸”模型，即可排除情境障礙和干擾，及時回到常規題型上來，輕車熟路地運用核心知識解決問題.

例7?（2023·江蘇常熟中學期末考試題）圖7是一種汽車空氣減震器的模型，其主要構造是導熱性良好的氣缸和活塞，活塞面積為S=40 cm2，活塞通過連桿與車輪軸連接.將裝有減震裝置的輪子模擬汽車靜止在斜坡上的情形，輪子固定在傾角為37°的斜面上，連桿與斜面垂直，初始時氣缸內密閉理想氣體的體積為V1=800 cm3，壓強為p1=1.2×105 Pa，環境溫度為T1=300 K，氣缸與活塞間的摩擦忽略不計，大氣壓強始終為p0=1×105 Pa.現于氣缸頂部固定一個物體A，穩定時氣缸內氣體體積縮小了200 cm3，該過程氣體溫度保持不變.重力加速度取g=10 m/s2.則圖7?例7題圖

（1）放上A物體待其穩定后，氣缸對氣體做功25 J，判斷該過程氣缸內氣體是吸熱還是放熱？熱量的大小為多少？

（2）求氣缸和物體A的總質量M；

（3）由于環境溫度變化，氣缸內氣體體積逐漸恢復到620 ?cm3.求體積恢復后的環境溫度.

解析?（1）放上A物體待其穩定的過程中氣體溫度不變，所以內能不變，由熱力學第一定律可知ΔU=W+Q=0，氣缸的體積減小，氣缸活塞對氣體做正功，可知氣缸內氣體放熱，放出的熱量等于氣缸對氣體所做的正功，則有Q=25 J.

（2）放上A物體待其穩定后氣體的體積V2=V1-ΔV1=600 cm3，由玻意耳定律p1V1=p2V2;

可解得p2=1.6×105 Pa，由氣缸受力的平衡條件可得（p2-p0）S=Mgcos37°，解得M=30 kg.

（3）氣缸內氣體體積逐漸增大的過程是等壓變化，由蓋-呂薩克定律可得V2T1=V3T2，解得T2=310 K.

點評?命題者為契合考試要求，直接使用簡化模型，解題時無需糾結于情境，順理成章地按照題目的約定思路進入解題環節即可.需要注意的就是靈活在氣缸與活塞之間選擇合適的研究對象，將力的平衡關系與熱力學定律、氣體實驗定律結合起來解決問題.

8 結束語

總之，情境化試題將成為未來高考命題的主要趨勢，只有經歷對具體情境問題的訓練，才善于把理論應用于實踐，避免那種“情境尚不清楚，急于搜索公式；方程尚不清楚，急于數學運算”的不良習慣[2].要讓學生親身經歷由情境來建立物理模型、找到具體研究對象、弄清其物理過程、尋找適合的規律、正確列出方程，再經過數學計算得出正確結論的操作過程，才能切實提高解決熱學情境問題的關鍵能力.

參考文獻：［1］

胡道成.聚焦情境問題 培養關鍵能力[J].中學生理科應試，2023（3）：33-36.

[2] 李忠相.例談日常生活情境類試題的命題要領[J].中學物理教與學，2023（6）：60-63.

［責任編輯：李?璟］