中考電路控制類(lèi)綜合題的分析與研究

吳金艷 袁海泉

摘 要：電學(xué)是初中物理非常重要的組成部分，一直以來(lái)也是中考考查的重點(diǎn)。在近年的中考物理試題中，電學(xué)的電路控制類(lèi)題型出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高。由于電路控制的類(lèi)型多樣，在生活中的應(yīng)用也很廣泛，解答此類(lèi)問(wèn)題不僅要求學(xué)生有牢固的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)學(xué)生各方面的能力要求也較高，突出了能力要素在命題中的地位。

關(guān)鍵詞：控制電路；傳感器；敏感元件；知識(shí)技能

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0039-4

控制電路類(lèi)的題目雖然歸根到底考查的內(nèi)容主要還是初中電學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，但它們與日常生活、科技發(fā)明聯(lián)系緊密。學(xué)生因?yàn)樯罱?jīng)驗(yàn)不足或?qū)萍嫉年P(guān)注度不高，對(duì)問(wèn)題情境及元件相關(guān)的電學(xué)特性不熟悉，接觸到這類(lèi)題后常難以下手。而且，這類(lèi)題目往往字?jǐn)?shù)多，迷惑或“嚇唬”學(xué)生的信息也多，學(xué)生難以抓住重點(diǎn)，影響題目的順利解決。因此，對(duì)這類(lèi)中考題進(jìn)行系統(tǒng)研究，既有利于學(xué)生對(duì)電路分析與控制的理解，又符合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的新課程理念。

1 初中電學(xué)控制電路類(lèi)綜合題的類(lèi)型

初中電學(xué)控制電路類(lèi)綜合題的分類(lèi)有多種方式，按控制電路的類(lèi)型可分為四種：電阻控制電路、傳感器控制電路、電磁繼電器控制電路和聯(lián)合控制電路。

1.1 電阻控制類(lèi)電路

初中電阻控制類(lèi)題會(huì)直接通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器或變阻箱等的阻值來(lái)調(diào)控電路的各個(gè)相關(guān)物理量。解決這類(lèi)問(wèn)題通常是在整體上分析電路特征，討論變阻器不同阻值時(shí)的電路狀態(tài)，尤其是極端狀態(tài)。針對(duì)不同的電路狀態(tài)和題目要求可以列方程組，用函數(shù)的思想或結(jié)合圖像來(lái)解答，其實(shí)質(zhì)是動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題。

例1 （2016·連云港）如圖1甲所示，是一種自動(dòng)測(cè)量油箱內(nèi)油量的裝置，油量表（由電流表改裝而成）的指針能指示油箱內(nèi)油的多少。當(dāng)油箱加滿(mǎn)油時(shí)，浮標(biāo)通過(guò)杠桿使滑片恰好移至變阻器的最下端；當(dāng)油箱油量減少到5 L時(shí)，油量表就會(huì)發(fā)出警告。油的體積V和變阻器接入電路的電阻R的關(guān)系如圖1乙所示，電源電壓恒為6 V，定值電阻R0的阻值為100 Ω。閉合開(kāi)關(guān)S，求：

（1）當(dāng)油箱加滿(mǎn)油時(shí)電路中的電流；

（2）油箱內(nèi)油量剩余一半時(shí)變阻器R兩端的電壓；

（3）油量表剛報(bào)警時(shí)R0的功率。

分析：本題考查了串聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律、電功率公式的應(yīng)用。題中第一問(wèn)比較簡(jiǎn)單，而第二、第三問(wèn)的解決都要求學(xué)生運(yùn)用一元函數(shù)的思想，考查學(xué)生在物理中運(yùn)用一元函數(shù)思想及讀懂物理圖像的能力，從圖像中得出R與V的關(guān)系式是關(guān)鍵。題目結(jié)合了生活中的事物來(lái)考查學(xué)生。同樣的，在2016年浙江寧波科學(xué)卷第32題也結(jié)合了家庭水箱水位測(cè)量裝置來(lái)考查變阻器控制電路。

1.2 傳感器控制類(lèi)電路

傳感器控制類(lèi)電路，即利用傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電路的控制。初中階段接觸到的傳感器，其敏感元件一般是熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻、磁敏電阻等特殊的電阻元件，電路控制是通過(guò)這些特殊電阻元件實(shí)現(xiàn)的。

例2 （2015浙江義烏）圖2甲圖為升降機(jī)電路的部分原理圖。電源電壓恒為6 V，R0為定值電阻，電壓表量程為0～3 V，壓敏電阻R1的阻值與所受壓力大小的關(guān)系如圖2乙所示。

（1）壓敏電阻不受壓力時(shí)，電壓表示數(shù)為2 V，定值電阻R0的電功率為多少？

（2）在電路正常工作時(shí)，此壓敏電阻能承受的最大壓力為多少？

（3）在不改變電表的條件下，要增大壓敏電阻的承壓范圍，應(yīng)如何調(diào)整？ （寫(xiě)出一條）

（4）若在升降機(jī)底板上放置一個(gè)物塊，靜止時(shí)電壓表示數(shù)為U0，當(dāng)升降機(jī)勻速下降時(shí)，電壓表示數(shù) （選填“大于”“等于”或“小于”）U0。

分析：題目以升降機(jī)為背景考查了歐姆定律、電功率、力與運(yùn)動(dòng)等知識(shí)點(diǎn)，不僅有電學(xué)知識(shí)，也涉及到力學(xué)部分，綜合考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)與技能，特別是對(duì)學(xué)生的邏輯推理能力有較高的要求。這類(lèi)傳感器控制類(lèi)電路題經(jīng)常在中考中出現(xiàn)，例如2013年江蘇常州物理中考卷30題，以鑲嵌在嬰兒被中的踢被警示電路和尿床警示電路為例考查傳感器控制電路，并提供兩種方案供學(xué)生選擇。2015年四川瀘州中考物理卷，2016年浙江臺(tái)州科學(xué)卷和浙江金華科學(xué)卷也都以實(shí)際生活的應(yīng)用為背景考查到了傳感器控制電路。

1.3 聯(lián)合控制類(lèi)電路

電磁繼電器控制電路即用電磁繼電器控制工作電路的通斷，它是常見(jiàn)的一種電路控制方式。但是，在中考題中往往很少考查單獨(dú)用電磁繼電器來(lái)控制電路的情況，而是常與傳感器或電阻結(jié)合起來(lái)考查。這樣的考題中，可以是傳感器與電磁繼電器的聯(lián)合控制，或者電阻與電磁繼電器的聯(lián)合控制，也可以是三者共同控制。若是含變阻器的聯(lián)合控制電路，則變阻器給電路設(shè)定一個(gè)基態(tài)，在這個(gè)基態(tài)上再通過(guò)傳感器的變化去影響控制電路；不同的基態(tài)上由傳感器引起的工作電路的狀態(tài)不同，因此，學(xué)生既需要考慮傳感器的變化也不能忽略滑動(dòng)變阻器的影響。

例3 （2011年南京）小明根據(jù)所學(xué)的電學(xué)知識(shí)，想設(shè)計(jì)一個(gè)汽車(chē)超載自動(dòng)報(bào)警電路。他查閱了相關(guān)資料了解到壓敏電阻是阻值隨壓力變化而變化的元件，并了解到壓敏電阻在生活中的一種應(yīng)用——壓力傳感器。壓力傳感器受到的壓力越大，輸出的電壓就越大，用它可以稱(chēng)量汽車(chē)的重量。某壓力傳感器輸出電壓與壓力的關(guān)系如表1。

小明利用該壓力傳感器和電阻箱R'（最大電阻999.9 Ω）及部分其他器材設(shè)計(jì)了圖3甲所示的電路。閉合開(kāi)關(guān)S，當(dāng)線(xiàn)圈中電流大于或等于20 mA時(shí)，電磁繼電器的銜鐵被吸合。已知繼電器線(xiàn)圈的電阻為25 Ω，繼電器電路的電源電壓由傳感器的輸出電壓U提供。（假設(shè)U不受繼電器電路影響）

（1）根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)趫D3乙給定的坐標(biāo)系中描繪出壓力傳感器的輸出電壓隨壓力變化的圖像；

（2）當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，電鈴報(bào)警，說(shuō)明汽車(chē)超載，則圖3甲中電鈴應(yīng)接在

（選填“A、B”或“C、D”）兩端；

（3）小明希望壓力大于或等于2.4×105 N時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，則電阻箱R'的電阻應(yīng)調(diào)節(jié)到多大？

（4）要使該裝置報(bào)警，汽車(chē)的最小重力為多少？

分析：此題考查了壓敏電阻的應(yīng)用——壓力傳感器，以壓敏電阻的特性為主線(xiàn)，積極創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，將電磁繼電器的原理、壓敏電阻的特性、物理圖像的繪制、歐姆定律、力學(xué)等知識(shí)巧妙結(jié)合在一起，既注重了初中物理的重點(diǎn)知識(shí)，也考查了學(xué)生吸收并應(yīng)用新知識(shí)的能力。

聯(lián)合控制類(lèi)電路綜合題是近年來(lái)中考常考的題型。2016、2017年江蘇南通中考物理卷，2014、2015年江蘇鎮(zhèn)江中考物理卷和2015、2016年江蘇常州的中考物理卷都連續(xù)兩年考查到，2014年的浙江義烏和2016年的浙江溫州科學(xué)卷也都考查了聯(lián)合控制電路。這些題都結(jié)合了現(xiàn)實(shí)生活或科技應(yīng)用來(lái)考查，對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高，有很高的深廣度。對(duì)于這類(lèi)題型的頻繁出現(xiàn)，教師和學(xué)生需要予以特別關(guān)注。

2 初中電路控制類(lèi)綜合題的特點(diǎn)

變阻器、傳感器、電磁繼電器都可以用于控制電路，在綜合題類(lèi)題型中也經(jīng)常出現(xiàn)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這類(lèi)題型有以下幾方面的共同特點(diǎn)。

（1）密切聯(lián)系生活實(shí)際。電路控制在日常生活中有廣泛的應(yīng)用，電路控制類(lèi)中考題必然會(huì)密切聯(lián)系生活實(shí)際。試題經(jīng)常會(huì)以生活中的具體事物為背景，例如超載自動(dòng)報(bào)警電路、空調(diào)等電器中的溫控裝置、汽車(chē)油量表、水位計(jì)、高溫自動(dòng)報(bào)警器、掃地機(jī)器人、自動(dòng)加濕器、防盜報(bào)警裝置、智能潔具、智能照明系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)日常生活中接觸到的事物進(jìn)行研究分析，既鞏固了已學(xué)知識(shí)又能引起學(xué)生的探究和解題興趣，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生能將書(shū)面化的知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中找到固著點(diǎn)。

（2）密切聯(lián)系現(xiàn)代技術(shù)。傳感器往往和現(xiàn)代控制技術(shù)聯(lián)系密切，初中物理的中考題常常以傳感器在現(xiàn)代控制技術(shù)中的具體應(yīng)用作為背景。在現(xiàn)代控制技術(shù)中，傳感器常被用于手機(jī)的指紋識(shí)別、屏幕自動(dòng)轉(zhuǎn)向及自動(dòng)調(diào)節(jié)明暗程度、手機(jī)各種APP功能的實(shí)現(xiàn)，以及智能家居中監(jiān)測(cè)溫度和亮度、食物新鮮度等的家用器件中，醫(yī)學(xué)中監(jiān)測(cè)氣體成分及流量的器械、血液分析儀等診斷器械、睡眠呼吸機(jī)、制氧機(jī)、輸液泵等中。這些現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)拓了學(xué)生的眼界，讓學(xué)生了解到現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展方向，為學(xué)生的創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。

（3）物理知識(shí)之間的橋梁。這類(lèi)題往往涉及到更高階段的物理知識(shí)，比如光敏電阻、壓敏電阻等傳感器相關(guān)的知識(shí)就涉及了高中和大學(xué)物理的內(nèi)容。這類(lèi)題不僅可以拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，還可以減少學(xué)段之間知識(shí)的斷層現(xiàn)象，做好初高中之間的銜接，有利于形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

（4）學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展的源頭。有了電路控制技術(shù)，電路的設(shè)計(jì)就更具有可能性。學(xué)生可以根據(jù)已有的相關(guān)控制電路的知識(shí)自己去設(shè)計(jì)發(fā)明便利的日常生活的事物。學(xué)生經(jīng)歷提出構(gòu)思、猜想、制定計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃等獨(dú)立的研究過(guò)程，不斷遇到問(wèn)題，不斷產(chǎn)生困惑，并積極主動(dòng)思考，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題，最后解決問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)得到培養(yǎng)和提高，而問(wèn)題意識(shí)是學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的基礎(chǔ)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生親自驗(yàn)證了學(xué)過(guò)的知識(shí)，在運(yùn)用中加深了理解，受到了啟發(fā)和激勵(lì)，利于知識(shí)的遷移和聯(lián)想，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 解決初中電學(xué)控制類(lèi)綜合題的知識(shí)技能要求

問(wèn)題解決是以知識(shí)為基礎(chǔ)的，同時(shí)需要技能或能力的輔助才能實(shí)現(xiàn)。學(xué)生要解決這類(lèi)問(wèn)題必須要有知識(shí)和技能兩個(gè)方面的儲(chǔ)備，所以要分析這類(lèi)題對(duì)學(xué)生的要求必然會(huì)從知識(shí)和技能兩個(gè)角度來(lái)分析。

綜合分析來(lái)看，解決電路控制類(lèi)綜合題需要的知識(shí)技能主要包括：一、 基礎(chǔ)知識(shí)?？刂齐娐奉}型中涉及到的知識(shí)主要包括電路知識(shí)和傳感器知識(shí)。另外，由于這類(lèi)題往往是綜合性題型，還需要力學(xué)、熱學(xué)等其他的物理基礎(chǔ)知識(shí)；二、物理情境理解與建模能力。初中電路控制類(lèi)綜合題常常結(jié)合生活中的實(shí)際來(lái)考查，如果學(xué)生對(duì)應(yīng)用的物理情境不理解，不能建立起相應(yīng)的物理模型，當(dāng)突然面對(duì)此類(lèi)題型時(shí)會(huì)不知所措，找不到解題的切入點(diǎn)。所以，物理情境的理解能力和較高的建模能力對(duì)學(xué)生的解題大有益處；三、推理分析能力。電路控制類(lèi)綜合題對(duì)推理分析能力的要求比較高，因?yàn)榭刂齐娐飞婕暗礁鞣N各樣的電學(xué)元件，電學(xué)元件之間的變化具有連鎖性，相互之間的關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)，不像力學(xué)部分討論的問(wèn)題或變量都是孤立的。這里涉及的是電子元器件之間的相互耦合和連接，需要學(xué)生通過(guò)推理分析來(lái)解決問(wèn)題；四、知識(shí)遷移能力。傳感器知識(shí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是新的未曾接觸過(guò)的知識(shí)，學(xué)生需要和已學(xué)的電路知識(shí)聯(lián)系起來(lái)才能理解控制電路的原理和功能。實(shí)現(xiàn)知識(shí)能力之間的這些聯(lián)系和了解它們之間的相互影響是學(xué)生解題的前提，這就需要學(xué)生有較高的知識(shí)遷移能力；五、 實(shí)驗(yàn)技能。雖然初中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中很少涉及到傳感器和電磁繼電器，但是實(shí)驗(yàn)技能的提高有助于學(xué)生理解電路的原理，也有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的正確選擇和幫助學(xué)生關(guān)注在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)，理解題目的意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以向?qū)W生展示物理情境，促進(jìn)知識(shí)的遷移，為題目的解答打下基礎(chǔ)。

綜上所述，中考電路控制類(lèi)綜合題與生活聯(lián)系緊密，契合了現(xiàn)代科技的發(fā)展。這類(lèi)題有利于學(xué)生知識(shí)技能的提高、思維的拓展及理解生活事物。幫助他們吸收課堂知識(shí)，養(yǎng)成關(guān)注生活、科技的習(xí)慣，認(rèn)識(shí)到知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。此類(lèi)題對(duì)學(xué)生的學(xué)和教師的教都具有導(dǎo)向作用，教師應(yīng)該針對(duì)這類(lèi)題的特點(diǎn)及知識(shí)技能的要求進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)。

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（欄目編輯 陳 潔）