基于物理核心素養(yǎng)的熱學板塊高考試題設(shè)計策略

馬文可

(孝感市第一高級中學，湖北 孝感 432000)

隨著新課程改革的不斷深入，核心素養(yǎng)已經(jīng)成為教育課程改革中的核心理念。核心素養(yǎng)指學生在教育過程中逐漸形成的知識聯(lián)動，是知識、能力、態(tài)度整合之后和情境之間的互動體系，從而逐漸形成的適應個人終生發(fā)展和社會發(fā)展所需要的必備的品格和關(guān)鍵能力。[1]

高中物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)涵就包括了四個方面[2]：

1)物理觀念和應用，要求學生從物理學的角度去觀察和認識所研究對象的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律，等等。

2)科學探究和交流，要求學生能夠與其他同學就關(guān)于實驗和推理的不同觀點進行交流和批判，并進行研究論證。

3)科學思維和創(chuàng)新，要求學生能夠在平時的學習和實踐過程中積極地提出物理問題，并進行猜想和驗證，提高自己的創(chuàng)新意識。

4)科學態(tài)度和責任，要求學生能夠在理解科學、技術(shù)、社會和環(huán)境的關(guān)系的基礎(chǔ)上逐漸形成對科學和技術(shù)應有的正確態(tài)度以及責任感。

2021年高考作為全國新課改高考的元年，高考試題一定會體現(xiàn)對學生物理核心素養(yǎng)的考察。體現(xiàn)對學生思維能力、探究意識、創(chuàng)新意識以及科學態(tài)度、責任的考察。從而促進學生的綜合素質(zhì)能力的提高以及全面發(fā)展。

1 基于物理核心素養(yǎng)的2020年山東學考卷熱學板塊剖析

“大風起于青萍之末”，山東省作為本輪高考改革的先行省份，剛剛出現(xiàn)的山東省2020年普通高中學業(yè)水平等級考試(模擬卷)，為2021年高考的命題趨勢，提供了一個可供揣摩的研究對象。本文從熱學板塊入手，通過與歷年來新課標1卷理綜物理試卷對比，從核心素養(yǎng)的角度，發(fā)現(xiàn)其最大的亮點就是：通過創(chuàng)設(shè)實際生活情境，考察學生從物理學的角度去建立物理模型，從而分析解決問題。

我們先來分析下山東學考卷第16題：

如圖1所示，按下壓水器，能夠?qū)⒁欢康耐饨缈諝猓?jīng)單向進氣口壓入密閉水桶內(nèi)。開始時桶內(nèi)氣體的體積V0=8.0L，出水管豎直部分內(nèi)外液面相平，出水口與大氣相通且與桶內(nèi)水面的高度差h1=0.20 m。出水管內(nèi)水的體積忽略不計，水桶的橫截面積S=0.08 m2。現(xiàn)壓入空氣，緩慢流出了V1=2.0L水。求壓入的空氣在外界時的體積ΔV為多少 ？

已知水的密度ρ=1.0×103kg/m3，外界大氣壓強p0=1.0×105Pa，取重力加速度大小g=10m/s2，設(shè)整個過程中氣體可視為理想氣體，溫度保持不變。

圖1

本題源自生活中常見的壓水器。學生并不會感覺陌生。但是學生在日常使用中，不一定會思考其中的物理原理。物理的核心素養(yǎng)要求學生能夠在平時的學習和實踐過程中積極地提出物理問題，并進行猜想和驗證，提高自己的創(chuàng)新意識；本題就起到了很好的導向作用，通過試題體現(xiàn)核心素養(yǎng)的考察，一定可以促使教師在教學過程中，學生在日常的學習中，將理論知識與實踐相結(jié)合，貼近生活，促進學生全面綜合發(fā)展。

設(shè)液面下降后，此時瓶中氣體壓強p2=p0+ρg(h1+Δh)，體積V2=V0+V1。瓶中氣體在外界壓強下的體積為V'，則：

p2V2=P0V'

(1)

初始狀態(tài)下，氣體壓強為p0，體積為V0，則ΔV=V'-V0

聯(lián)立解得：ΔV=2.225L

(2)

2 基于物理核心素養(yǎng)的高考熱學板塊命題趨勢總結(jié)

筆者將這一命題趨勢總結(jié)為情景探究類問題。

生活中很多問題都可以構(gòu)建模型，需要將生活中的情景挖掘物理內(nèi)涵，使學生感受物理源于生活，服務于生活，從而激發(fā)興趣，提高高考考察的學生理解能力，分析綜合能力，從而培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

3 基于物理核心素養(yǎng)的高考熱學板塊命題預測及模擬

筆者將在以下情景探究類習題中，歸納總結(jié)構(gòu)建物理模型的一般規(guī)律。

例1：一排球球內(nèi)氣體的壓強為p0，體積為V0，溫度為T0，用打氣筒對排球沖入壓強為p0，溫度為T0的氣體，使球內(nèi)氣體壓強變?yōu)?p0，同時溫度升至2T0，充氣過程中氣體向外放出Q的熱量，假設(shè)排球體積不變，氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為U=kT，k為正常數(shù))。

1)打氣筒對排球充入壓強為p0，溫度為T0的氣體的體積；

2)打氣筒對排球充氣過程中打氣筒對氣體做的功。

解：1)打氣筒對排球充入壓強為p0、溫度為T0的氣體的體積為V，以排球內(nèi)氣體與充入的氣體整體為研究對象。

氣體的初狀態(tài)參量：p1=p0；V1=V0+V；T1=T0

氣體的末狀態(tài)參量：p2=3p0；V2=V0；T2=2T0

代入解得：V=0.5V0

2)因為氣體內(nèi)能U與溫度的關(guān)系為：

U=kT

所以打氣過程內(nèi)能變化：

ΔU=k=kT0

由熱力學第一定律得：ΔU=W+(-Q)

解得打氣筒對氣體做的功：W=Q+kT0

本題從實際的生活情景出發(fā)，學生需要提煉信息，構(gòu)建出物理模型。第一個需要突破的重難點為選擇合適的研究對象。如果思維的局限，單單以排球內(nèi)的氣體，或者充入的氣體為研究對象，構(gòu)建的方程都過于復雜。本題應該以排球內(nèi)氣體與充入的氣體整體為研究對象。第二個需要突破的重難點為找到合適的初末狀態(tài)。抓住理想氣體初末狀態(tài)下的狀態(tài)參量，選擇相應的氣體實驗定律是解題的關(guān)鍵。

例2：爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛的休閑零食。玉米在密閉容器內(nèi)被加熱，封閉氣體被加熱成高溫高壓氣體，當打開容器蓋后，“嘭”的一聲氣體迅速膨脹，鋼筒內(nèi)的高溫高壓氣體連同加工原料一起噴射出來。噴射過程中，由于外界的壓強迅速下降，使得玉米粒內(nèi)部氣體向外迅速擴張，由此玉米粒就會膨脹炸開。設(shè)將鋼筒內(nèi)的氣體看成理想氣體，玉米粒的體積忽略不計。常溫熱力學溫度為t0，標準大氣壓強為p0，鋼筒的體積為V0，玉米粒爆開所需要的壓強差為7p0，鋼筒看成圓柱體，且橫截面積為S

1)求打開封蓋時的熱力學溫度t1？

2)由于噴射過程時間極端，可以看成氣體溫度不變，且和外界沒有熱交換。求噴射后噴出理想氣體的體積。

解：1)加熱過程中，鋼筒封閉，體積不變。由題意可知，玉米粒爆開所需要的壓強差為7p0，即氣體壓強為8p0。由理想氣體狀態(tài)方程可知：

t1=8t0

2)打開封蓋，鋼筒內(nèi)的高溫高壓氣體向外噴射過程中，溫度不變，體積迅速增大，壓強急劇減小，直到和大氣壓強相等。由理想氣體狀態(tài)方程可知：

8p0V0=p0V

V=8V0

ΔV=7V0

本題需要創(chuàng)設(shè)情境，構(gòu)建物理模型。第一步依然還是選擇合適的研究對象。即以整體為研究對象。第二步，選擇合適的初末狀態(tài)，并注重初末狀態(tài)的各個物理量。本題分為兩個步驟，加熱的過程，體積不變，應選擇查理定律。對外膨脹過程，時間極端，看成溫度不變，應選擇玻意耳定律。

4 基于物理核心素養(yǎng)的高考熱學板塊應對策略

綜上所述：我們總結(jié)歌訣如下：“實際情景不要怕，題干越長越簡單。整體對象不要忘，初末狀態(tài)找參量。”

新課程明確要求必須把核心素養(yǎng)作為物理教學的重要目標，高考也一定會加強核心素養(yǎng)的考察。在日常教學中認真領(lǐng)會新課標理念，以培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)為本，挖掘物理學科促進學生核心素養(yǎng)形成的積極因素。

熱學板塊與實際生活情景緊密相連，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的很好載體。作為物理老師，我們應該在從優(yōu)化物理知識結(jié)構(gòu)和強化物理知識結(jié)構(gòu)與實際情境的聯(lián)系；從重視物理模型的構(gòu)建和應用關(guān)注科學推理過程和證據(jù)；從聯(lián)系社會生活角度增強學生的科學態(tài)度與責任。[3]

只有在知識構(gòu)建的過程中重視科學方法和科學思維訓練，努力從著眼于學生終身發(fā)展的角度實施教學，注重物理概念和規(guī)律的理解，并最終在生活實際中提煉和升華，才能為學生的終身學習和未來發(fā)展打下基礎(chǔ)。