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关于2015年新课标Ⅰ卷37题“热棒”问题的思考

点击次数:更新时间:2017-02-17 09:32:36

       地理组 李卫成
       2015年新课标Ⅰ卷37题以青藏高原的区域为背景,以高寒的环境为主题,深入探究温度与冻土以及“热棒”工作原理之间的关系。实现对学生地理学科知识、地理学科素养、地理思维能力的纵深考查,对学生思维品质的灵活性、深刻性和独创性要求很高。同时也引发了对“热棒”工作原理的广泛热议,很多老师对答案中“冬季气温低于地温”而形成的热棒工作原理感到无法理解。笔者个人通过对一些专题资料的查找和研究,对37题中的文字材料、“热棒工作原理图”和试题答案进行重新分析,提出个人的几点看法,供大家讨论:
       首先,通过查找专业资料,我认为37题冗长的文字材料中关于热棒原理关键词的描述有不准确之处。下面结合图文资料进行说明:
       试题中的文字材料:
       多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化、冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层。
       由我国自行设计、建设的青藏铁路格(尔木)拉(萨)段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区,是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结,会危及铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路,采用了热棒新技术等措施。图8a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布,其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图8b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段,地下部分为蒸发段,当冷凝段温度低于蒸发段温度时,蒸发段液态物质汽化上升,在冷凝段冷却成液态,回到蒸发段,循环反复。在文字材料中关于“地下部分为蒸发段”的描述是不准确的,这是个关键的文字描述,它会直接导致答案的组织出现难以理解的地方(冬季气温低于地温?)。
       笔者在西北工业大学这篇论文正文第六页看到是这样描述热棒的地下部分:“根据使用环境冻土层的位置,设计热棒的尺寸,定制热棒,使热棒植入地下后,其吸热段正好位于需要保持低温的冻土层”。通过这篇论文所给的图片中可以看到,热棒的地下部分应该分为两部分:绝热段和吸热段,其中吸热段就是37题中提到的充满液态工质的蒸发段,是吸收地下热量的主要部件,而吸热段正好位于需要保持低温的永冻土层,就是37题中文字材料中提到的多年冻结层,热棒吸热段上部的绝热段就位于多年冻结层之上的活动层,既不吸热,也不放热。所以文字材料中关于热棒地下部分的描述应该这样改动“热棒植入地下多年冻结层的部分为蒸发段”。 这样在冬季的时候,气温低于多年冻结层的温度就好理解了(而不是气温低于地温),此时位于多年冻结层蒸发段中的液体工质吸收周围土体中的热量,蒸发形成汽体工质,蒸汽上升至冷凝段,通过冷凝器的散热片将热量传递到空气中。同时蒸汽工质遇冷冷凝成液体,在重力的作用下,液体沿管壁回流至蒸发段,再蒸发。如此循环往复,将土体中的热量传递至空气中。由此看来,只有当热棒的蒸发段埋置在多年冻结层以内,才能起到对多年冻结层以上土体进行冷却,提高永冻土的上限,从而真正提高冻土地基的稳定性。作为补充:在夏季的时候,气温高于多年冻结层的温度,热棒中的液体工质如果蒸发,形成的蒸汽到达冷凝器后,由于管壁温度较高,不能冷凝( 汽液两相达到平衡),液体停止蒸发,热棒停止工作(热棒的单向传热特性),因此大气中的热量不能通过热棒传至冻土中,从而可以保持冻土良好的冻结状态。
       总结一下热棒对冻土层的“特殊贡献”:那就是减少夏季外界对多年冻结层的影响,在冬季实现有效制冷,提升多年冻结层上限,提高冻土地基的稳定性。
       其次,从常识来看,冬季的时候大气的温度与地温相比很难判断哪个温度低,但是由于多年冻结层深埋在地下,一年四季的温度变化不大且相对稳定,所以冬季大气的温度低于多年冻结层的温度就好理解了。原题答案:
冬季气温低于地温(描述不准确,很容易理解成地表温度),热棒蒸发段吸收冻土(表达不清)热量,(将液态物质汽化上升,与较冷的地上部分管壁接触,凝结,释放出潜热,)将冻土层(表达不清)中的热量传送至地上(大气)。(3分)
       建议将原题的答案做如下改动:
       冬季气温低于多年冻结层的温度,热棒蒸发段吸收多年冻结层的热量, (将液态物质汽化上升,与较冷的地上部分管壁接触,凝结,释放出潜热),将多年冻结层中的热量传送到地上的大气。
“热棒”散热原理是一个学术性很强的材料,如果出题人再将文字材料中的关键词介绍不清,“热棒原理图”内容过于简略,则很容易导致学生因不能从图文材料中提取有效信息而无法深入探究,也就很难真正达到考查学生综合思维、地理实践能力等地理学科素养目的。
       以上是笔者个人的一点看法,如有不当,还望各位读者给与热情指正。

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