巧設物理情境 突顯思維品質①
——對一道物理中考題的賞析

(江蘇省南京市建鄴區教師發展中心，江蘇 南京 210017)

1 原題呈現

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,實現溫控。

圖1

(1) 恒溫箱內的加熱器應接在 (選填“A、B”或“C、D“端)。

(2) 要實現對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。

試題設置了電磁繼電器電路的相關問題,貌似考查學生對電磁繼電器原理的掌握情況,實質很好地考查了學生分析物理過程的能力。筆者讀完該題后的第一反應是題中有三個“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動關系,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,主要體現在以下四個方面。

2.1 識別“電路”,厘清“恒溫原理”

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

2.2 抓住“條件”,尋求“解題方法”

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

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

2.3 理解“范圍”,分析“聯動關系”

筆者和部分學生進行了交流,發現有不少學生第(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,即可近似認為控制電路中電流為20mA。當電流一定時,根據公式U=IR,可以知道電路總電阻越小,所需總電壓也越小。而當恒溫箱內溫度為100℃時,熱敏電阻R最小,為50Ω,滑動變阻器的最小電阻調為0,所以電源電壓最小值U=IR總=0.02A×(150Ω+50Ω)=4V。

學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的溫度控制在50℃-100℃之間的任意一個值。按照學生算出的4V電壓,只能使恒溫箱內的溫度控制在100℃。而如果要使恒溫箱內的溫度控制在50℃-100℃之間的任一溫度,電源電壓不夠。例如,如果要使恒溫箱內的溫度控制在50℃,電源電壓至少應為4.8V,4V顯然達不到要求。

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。進一步分析還會發現,這三個變化的量之間是互相聯動的,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,筆者向學生追問了一句：滑動變阻器R′在此電路中的作用是什么呢？學生繼而就思考移動變阻器滑片對電路的影響，馬上就認識到R′的作用就是調節恒溫箱內的設定溫度。當滑片向左移動時,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,即恒溫箱的設定溫度降低。反之,要使恒溫箱的設定溫度升高,應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,當設定溫度降到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,學生意識到自己的錯誤之處在于：當設定滑動變阻器接入電路的電阻為零時,熱敏電阻的阻值應為所設范圍內的最大值,即90Ω。

同樣,當電源電壓給定6V,恒溫箱內的設定溫度達到100℃時,熱敏電阻R=50Ω,對應的R′即為滑動變阻器所需的極大值,根據歐姆定律不難算出該阻值為100Ω。

2.4 聯系教材,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系,還可看出,由于熱敏電阻是放置在恒溫箱內的,所以它的溫度(阻值)會隨著工作電路的工作狀態而發生相應的變化,并進而反過來控制著工作電路工作與否,從而實現了控制電路和工作電路的互相自動控制。

這與學生平時常見的電磁繼電器的電路有所區別。例如圖2中的水位自動報警器,該報警電路中通過水位的升降可以實現對工作電路的控制,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學生展示技術的日新月異,使學生進一步感知科學知識在改造社會中發揮的巨大作用。

圖2

3 結語

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

當然,筆者認為,可在該題第(1)問后添加這樣兩問：

(1) 熱敏電阻R應該 (選填“在”或“不在”)恒溫箱內；

(2) 若要提高恒溫箱的設定溫度,滑動變阻器的滑片應向 (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生對整個物理過程的分析理解是否準確到位,更好地考查學生的思維品質。