巧設(shè)物理情境 突顯思維品質(zhì)①
——對一道物理中考題的賞析

(江蘇省南京市建鄴區(qū)教師發(fā)展中心，江蘇 南京 210017)

1 原題呈現(xiàn)

以下是南京市2018年中考物理試題第19題：如圖1所示,圖甲為熱敏電阻的R-t圖像,圖乙為用此熱敏電阻R和電磁繼電器組成的一個簡單恒溫箱溫控電路(U為恒壓電源)。繼電器線圈的電阻為150Ω,圖中的“電源”是恒溫箱加熱器的電源。當(dāng)線圈中的電流大于或等于20mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止工作,實(shí)現(xiàn)溫控。

圖1

(1) 恒溫箱內(nèi)的加熱器應(yīng)接在 (選填“A、B”或“C、D“端)。

(2) 要實(shí)現(xiàn)對50℃-100℃之間任一溫度的控制,該裝置恒壓電源U至少為 V；若恒溫電源U為6V,則滑動變阻器R′的最大阻值至少為 Ω。

試題設(shè)置了電磁繼電器電路的相關(guān)問題,貌似考查學(xué)生對電磁繼電器原理的掌握情況,實(shí)質(zhì)很好地考查了學(xué)生分析物理過程的能力。筆者讀完該題后的第一反應(yīng)是題中有三個“不確定”的物理量：電源電壓U、熱敏電阻阻值R、滑動變阻器接入電路的阻值R′,通過對該題物理過程的梳理和分析,就能明確這三個物理量之間的聯(lián)動關(guān)系,從而順利解決問題,這也正是該題的巧妙之處。

2 賞析

本題突出對物理過程分析的考查,主要體現(xiàn)在以下四個方面。

2.1 識別“電路”,厘清“恒溫原理”

學(xué)生在審題過程中首先遇到的問題就是恒溫箱是如何實(shí)現(xiàn)恒溫的，這就引發(fā)了對電磁繼電器電路工作原理的分析,這是本題對學(xué)生進(jìn)行物理過程分析的考查。絕大部分學(xué)生都能通過分析,認(rèn)識到當(dāng)恒溫箱中溫度高于設(shè)定值時,銜鐵被吸下來,工作電路被切斷,電熱絲停止加熱,恒溫箱溫度降回設(shè)定溫度；當(dāng)恒溫箱中溫度低于設(shè)定值時,工作電路接通,電熱絲加熱,恒溫箱內(nèi)溫度升回設(shè)定溫度。故第(1)題很容易地就能判斷出應(yīng)選填“A、B”。

2.2 抓住“條件”,尋求“解題方法”

在對熱敏電阻R-t圖像進(jìn)行分析后,不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熱敏電阻溫度升高時,其阻值減小,導(dǎo)致控制電路中電流增大,當(dāng)電流增大到20mA時,銜鐵被吸下,電熱絲停止加熱,恒溫箱內(nèi)溫度下降。而當(dāng)熱敏電阻溫度下降時,其阻值增大,導(dǎo)致控制電路中電流減小,當(dāng)電流小于20mA時,銜鐵被拉上去,工作電路接通,電熱絲加熱,恒溫箱內(nèi)溫度升高。

通過以上分析,學(xué)生自然會挖出本題中的兩個隱含條件：(1) 熱敏電阻R應(yīng)該放置在恒溫箱內(nèi)；(2) 工作電路中的電流始終在20mA左右。

2.3 理解“范圍”,分析“聯(lián)動關(guān)系”

筆者和部分學(xué)生進(jìn)行了交流,發(fā)現(xiàn)有不少學(xué)生第(2)問的第一空錯填為“4V”。他們的分析過程如下：通過對電磁繼電器電路的分析,控制電路中的電流始終在20mA左右,即可近似認(rèn)為控制電路中電流為20mA。當(dāng)電流一定時,根據(jù)公式U=IR,可以知道電路總電阻越小,所需總電壓也越小。而當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度為100℃時,熱敏電阻R最小,為50Ω,滑動變阻器的最小電阻調(diào)為0,所以電源電壓最小值U=IR總=0.02A×(150Ω+50Ω)=4V。

學(xué)生的這一解答過程暴露了對題意的理解不透。題目第二小問要求的是電源電壓的最小值,且該電壓要能使恒溫箱內(nèi)的溫度控制在50℃-100℃之間的任意一個值。按照學(xué)生算出的4V電壓,只能使恒溫箱內(nèi)的溫度控制在100℃。而如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度控制在50℃-100℃之間的任一溫度,電源電壓不夠。例如,如果要使恒溫箱內(nèi)的溫度控制在50℃,電源電壓至少應(yīng)為4.8V,4V顯然達(dá)不到要求。

那么,如何才能正確地解答這一問題呢？需更加深入地分析題意,找出題中的不變量和變化量。本題中的不變量有兩個,即線圈電阻為150Ω,以及電路中的電流在20mA左右,無法確定的變化量有三個,即電源電壓、熱敏電阻的阻值以及滑動變阻器接入電路的阻值。進(jìn)一步分析還會發(fā)現(xiàn),這三個變化的量之間是互相聯(lián)動的,滑動變阻器接入電路的阻值和熱敏電阻阻值之間互相影響,且兩者還共同影響著電源電壓的最小值。

為此,筆者向?qū)W生追問了一句：滑動變阻器R′在此電路中的作用是什么呢？學(xué)生繼而就思考移動變阻器滑片對電路的影響，馬上就認(rèn)識到R′的作用就是調(diào)節(jié)恒溫箱內(nèi)的設(shè)定溫度。當(dāng)滑片向左移動時,R′接入電路的阻值減小,由于工作電路中的電流始終是20mA左右,故熱敏電阻的阻值增大,即恒溫箱的設(shè)定溫度降低。反之,要使恒溫箱的設(shè)定溫度升高,應(yīng)將滑動變阻器的滑片向右滑動,增大R′接入電路的阻值。所以,當(dāng)設(shè)定溫度降到50℃時,若R′接入電路的阻值剛好為零,則電路中總電阻最小,此時對應(yīng)的熱敏電阻R=90Ω,所以U最小=IR總=0.02A×(150Ω+90Ω)=4.8V。

通過以上分析,學(xué)生意識到自己的錯誤之處在于：當(dāng)設(shè)定滑動變阻器接入電路的電阻為零時,熱敏電阻的阻值應(yīng)為所設(shè)范圍內(nèi)的最大值,即90Ω。

同樣,當(dāng)電源電壓給定6V,恒溫箱內(nèi)的設(shè)定溫度達(dá)到100℃時,熱敏電阻R=50Ω,對應(yīng)的R′即為滑動變阻器所需的極大值,根據(jù)歐姆定律不難算出該阻值為100Ω。

2.4 聯(lián)系教材,深化“對比研究”

通過對這道題的完整分析,不僅明確了三個不確定的物理量之間的關(guān)系,還可看出,由于熱敏電阻是放置在恒溫箱內(nèi)的,所以它的溫度(阻值)會隨著工作電路的工作狀態(tài)而發(fā)生相應(yīng)的變化,并進(jìn)而反過來控制著工作電路工作與否,從而實(shí)現(xiàn)了控制電路和工作電路的互相自動控制。

這與學(xué)生平時常見的電磁繼電器的電路有所區(qū)別。例如圖2中的水位自動報(bào)警器,該報(bào)警電路中通過水位的升降可以實(shí)現(xiàn)對工作電路的控制,但工作電路中紅燈或綠燈的亮否是不能控制水位的升降的。這也是命題組通過這道試題向?qū)W生展示技術(shù)的日新月異,使學(xué)生進(jìn)一步感知科學(xué)知識在改造社會中發(fā)揮的巨大作用。

圖2

3 結(jié)語

該題以電磁繼電器電路控制下的恒溫箱為物理情境,設(shè)置相關(guān)問題,突出考查了學(xué)生對物理過程的分析理解以及知識的運(yùn)用能力,是一道非常好的中考試題,不僅考查了學(xué)生的物理學(xué)業(yè)水平,也對今后的教學(xué)起到了很好的引領(lǐng)作用。

當(dāng)然,筆者認(rèn)為,可在該題第(1)問后添加這樣兩問：

(1) 熱敏電阻R應(yīng)該 (選填“在”或“不在”)恒溫箱內(nèi)；

(2) 若要提高恒溫箱的設(shè)定溫度,滑動變阻器的滑片應(yīng)向 (選填“左”或“右”)。

這樣可能會增加試題的難度,但能更加綜合地考出學(xué)生對整個物理過程的分析理解是否準(zhǔn)確到位,更好地考查學(xué)生的思維品質(zhì)。