以生活為“石”，攻素養(yǎng)之“玉”
——由一道山東高考物理題引發(fā)的思考

山東

(作者單位：山東省文登新一中)

山東省2020年普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試物理第15題，以中醫(yī)拔罐治療疾病為素材，通過(guò)對(duì)比火罐和抽氣拔罐物理原理的差異性，不僅考查學(xué)生構(gòu)建“充氣、抽氣”氣體模型的能力，還考查了學(xué)生運(yùn)用氣體實(shí)驗(yàn)定律解決生活實(shí)際問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理知識(shí)在生活生產(chǎn)中的運(yùn)用，學(xué)以致用，彰顯了高考評(píng)價(jià)的素養(yǎng)導(dǎo)向功能。

在教學(xué)中，筆者對(duì)本題進(jìn)行了深入研究，探索關(guān)于變質(zhì)量氣體模型的多種求解方法，以拓寬學(xué)生的解題思路，提升其物理核心素養(yǎng)水平。

一、原題再現(xiàn)

二、命題方向

2020年修訂2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》第35頁(yè)，關(guān)于理想氣體的學(xué)業(yè)要求和教學(xué)提示指出：認(rèn)識(shí)構(gòu)建理想氣體模型的必要性，能用不同的方法和手段分析和處理信息，能應(yīng)用模型多視角分析研究實(shí)際氣體的問(wèn)題，廣泛了解氣體定律對(duì)人類(lèi)生活和社會(huì)發(fā)展的影響。

本題遵循課程標(biāo)準(zhǔn)，挖掘生活現(xiàn)象，從火罐、抽氣拔罐兩個(gè)角度，聚焦氣體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，注重考查學(xué)生的邏輯推理、信息加工、模型構(gòu)建能力，考查靈活運(yùn)用物理知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力，鼓勵(lì)學(xué)生提高健康意識(shí)，弘揚(yáng)中醫(yī)文化，凸顯高考的育人導(dǎo)向功能。

三、教學(xué)探索

教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)高考題創(chuàng)設(shè)的火罐情境，運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程，求解火罐降溫后的壓強(qiáng)為0.7p0，這是多數(shù)學(xué)生可以正確解答的；而研究抽氣拔罐時(shí)，求抽出氣體的質(zhì)量與抽氣前罐內(nèi)氣體質(zhì)量的比值，約90%的學(xué)生無(wú)從下手。出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象的根源，在于學(xué)生不明確變質(zhì)量理想氣體問(wèn)題的解題策略。根據(jù)“一核四層四翼”的新高考評(píng)價(jià)素養(yǎng)導(dǎo)向要求，結(jié)合具體學(xué)情，筆者以此題為載體，歸納總結(jié)變質(zhì)量理想氣體問(wèn)題的多種解題方法，來(lái)幫助學(xué)生牢牢掌握基本公式、定律，探索適合不同能力水平學(xué)生的解題方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維、求異思維等關(guān)鍵能力，最大程度提升每個(gè)學(xué)生的物理素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)教—學(xué)—考的無(wú)縫銜接。

探索Ⅰ：一題多解

1.等效法

1.1 把抽氣拔罐等效成體積增大的容器

p1V1=p2V2

代入數(shù)值，可得

p0V0=0.7p0V2

因?yàn)槌闅獍喂藓蛷椥源鼉?nèi)的氣體相通，氣體的密度一樣，因此氣體的質(zhì)量之比就等于體積之比，而抽出氣體的質(zhì)量就是彈性袋內(nèi)的氣體質(zhì)量，所以抽出氣體的質(zhì)量與抽氣前罐內(nèi)氣體質(zhì)量的比值等于彈性袋內(nèi)氣體的體積與總體積之比。

1.2 把抽氣前氣體等效為分裝在兩個(gè)容器內(nèi)——抽氣拔罐和彈性袋

抽氣前，拔罐中氣體的壓強(qiáng)p1=p0，體積V1=V0，

根據(jù)玻意耳定律，

p1V1=p2V2+p0V3

因?yàn)槌槌鋈サ臍怏w壓強(qiáng)、溫度和抽氣前拔罐中的氣體狀態(tài)相同，即兩者的密度相同，所以抽出去的氣體質(zhì)量與抽氣前拔罐中氣體的質(zhì)量之比就等于體積之比。

2.理想氣體狀態(tài)方程法

2.1 理想氣體狀態(tài)方程定義式

設(shè)空氣的摩爾質(zhì)量為M，抽氣罐內(nèi)原來(lái)的氣體質(zhì)量為m1；抽氣后，罐中剩余氣體壓強(qiáng)和火罐降溫后的內(nèi)部氣體壓強(qiáng)相等時(shí)，罐中氣體的質(zhì)量為m2，

以抽氣前的氣體為研究對(duì)象，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有，

以抽氣后的氣體為研究對(duì)象，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有，

2.2 理想氣體狀態(tài)方程密度式

已知p1=p0，p2=0.7p0

根據(jù)④式可得，ρ2=0.7ρ1⑤

抽氣前罐中氣體的質(zhì)量m1=ρ1V0⑥

培養(yǎng)學(xué)生一題多解的能力，不是單純地為了解題，而是為了橫向擴(kuò)展學(xué)生的思維廣度，打破思維定勢(shì)，提升科學(xué)思維等物理核心素養(yǎng)能力。

探索Ⅱ：一題多變

求解變質(zhì)量問(wèn)題通常是將其轉(zhuǎn)化為定質(zhì)量問(wèn)題，本題兩種等效法的求解思想分別是漏氣思想和分裝思想。抽氣類(lèi)型題有兩種，一是不考慮抽氣的過(guò)程，只關(guān)注抽氣后的結(jié)果，如2020年山東高考物理第15題；二是注重每次抽氣的過(guò)程，在教學(xué)中，筆者針對(duì)具體抽氣過(guò)程進(jìn)行了引申。

該高考原題考查抽氣的問(wèn)題，實(shí)際上是應(yīng)用漏氣的物理思想，或采用氣體分裝的解題方法求解，原題還缺少充氣模型的方法訓(xùn)練，為此，我又對(duì)此題進(jìn)行了題意的適當(dāng)改變。

【變式3】滿足高考原題的條件，當(dāng)抽氣拔罐在皮膚上留罐結(jié)束時(shí)，用手打開(kāi)閥門(mén)，短暫時(shí)間內(nèi)(溫度變化不計(jì))，罐與皮膚分離，求通過(guò)閥門(mén)進(jìn)入罐內(nèi)的氣體質(zhì)量與抽氣前氣體質(zhì)量之比。

根據(jù)歷年高考命題特點(diǎn)，物理選修3-3(新教材選擇性必修四)命題頻率最高的知識(shí)點(diǎn)是分子動(dòng)理論和氣體，分子動(dòng)理論知識(shí)中，宏觀量和微觀量之間的關(guān)系是學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，筆者對(duì)題設(shè)的火罐內(nèi)容再次進(jìn)行了改編加工。

【變式4】滿足高考原題條件下，假設(shè)火罐內(nèi)氣體初始狀態(tài)的質(zhì)量為m0，摩爾質(zhì)量為M，火罐的體積為V，阿伏伽德羅常數(shù)為NA，當(dāng)氣體溫度降到300 K時(shí)，求火罐內(nèi)氣體的分子數(shù)密度。

高考評(píng)價(jià)體系明確提出：高考試題要具備基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。學(xué)生對(duì)有關(guān)“氣體”高考題的綜合性和創(chuàng)新性有畏懼心理，這種心理的根源在于，備考中沒(méi)有形成立體的思維網(wǎng)絡(luò)。這不是“題海戰(zhàn)術(shù)”能解決的問(wèn)題，需要用“巧勁”。筆者在教學(xué)中通過(guò)對(duì)高考題進(jìn)行引申、變化、一題多變，把變質(zhì)量氣體問(wèn)題的求解思想和方法進(jìn)行整合，起到了事半功倍的效果。