中考电路控制类综合题的分析与研究

吴金艳 袁海泉

摘 要：电学是初中物理非常重要的组成部分，一直以来也是中考考查的重点。在近年的中考物理试题中，电学的电路控制类题型出现的频率越来越高。由于电路控制的类型多样，在生活中的应用也很广泛，解答此类问题不仅要求学生有牢固的基础知识，对学生各方面的能力要求也较高，突出了能力要素在命题中的地位。

关键词：控制电路；传感器；敏感元件；知识技能

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0039-4

控制电路类的题目虽然归根到底考查的内容主要还是初中电学的基础知识，但它们与日常生活、科技发明联系紧密。学生因为生活经验不足或对科技的关注度不高，对问题情境及元件相关的电学特性不熟悉，接触到这类题后常难以下手。而且，这类题目往往字数多，迷惑或“吓唬”学生的信息也多，学生难以抓住重点，影响题目的顺利解决。因此，对这类中考题进行系统研究，既有利于学生对电路分析与控制的理解，又符合“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。

1 初中电学控制电路类综合题的类型

初中电学控制电路类综合题的分类有多种方式，按控制电路的类型可分为四种：电阻控制电路、传感器控制电路、电磁继电器控制电路和联合控制电路。

1.1 电阻控制类电路

初中电阻控制类题会直接通过改变滑动变阻器或变阻箱等的阻值来调控电路的各个相关物理量。解决这类问题通常是在整体上分析电路特征，讨论变阻器不同阻值时的电路状态，尤其是极端状态。针对不同的电路状态和题目要求可以列方程组，用函数的思想或结合图像来解答，其实质是动态电路问题。

例1 （2016·连云港）如图1甲所示，是一种自动测量油箱内油量的装置，油量表（由电流表改装而成）的指针能指示油箱内油的多少。当油箱加满油时，浮标通过杠杆使滑片恰好移至变阻器的最下端；当油箱油量减少到5 L时，油量表就会发出警告。油的体积V和变阻器接入电路的电阻R的关系如图1乙所示，电源电压恒为6 V，定值电阻R0的阻值为100 Ω。闭合开关S，求：

（1）当油箱加满油时电路中的电流；

（2）油箱内油量剩余一半时变阻器R两端的电压；

（3）油量表刚报警时R0的功率。

分析：本题考查了串联电路的特点和欧姆定律、电功率公式的应用。题中第一问比较简单，而第二、第三问的解决都要求学生运用一元函数的思想，考查学生在物理中运用一元函数思想及读懂物理图像的能力，从图像中得出R与V的关系式是关键。题目结合了生活中的事物来考查学生。同样的，在2016年浙江宁波科学卷第32题也结合了家庭水箱水位测量装置来考查变阻器控制电路。

1.2 传感器控制类电路

传感器控制类电路，即利用传感器将非电信号转化为电信号，实现电路的控制。初中阶段接触到的传感器，其敏感元件一般是热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻、磁敏电阻等特殊的电阻元件，电路控制是通过这些特殊电阻元件实现的。

例2 （2015浙江义乌）图2甲图为升降机电路的部分原理图。电源电压恒为6 V，R0为定值电阻，电压表量程为0～3 V，压敏电阻R1的阻值与所受压力大小的关系如图2乙所示。

（1）压敏电阻不受压力时，电压表示数为2 V，定值电阻R0的电功率为多少？

（2）在电路正常工作时，此压敏电阻能承受的最大压力为多少？

（3）在不改变电表的条件下，要增大压敏电阻的承压范围，应如何调整？ （写出一条）

（4）若在升降机底板上放置一个物块，静止时电压表示数为U0，当升降机匀速下降时，电压表示数 （选填“大于”“等于”或“小于”）U0。

分析：题目以升降机为背景考查了欧姆定律、电功率、力与运动等知识点，不仅有电学知识，也涉及到力学部分，综合考查学生的基础知识与技能，特别是对学生的逻辑推理能力有较高的要求。这类传感器控制类电路题经常在中考中出现，例如2013年江苏常州物理中考卷30题，以镶嵌在婴儿被中的踢被警示电路和尿床警示电路为例考查传感器控制电路，并提供两种方案供学生选择。2015年四川泸州中考物理卷，2016年浙江台州科学卷和浙江金华科学卷也都以实际生活的应用为背景考查到了传感器控制电路。

1.3 联合控制类电路

电磁继电器控制电路即用电磁继电器控制工作电路的通断，它是常见的一种电路控制方式。但是，在中考题中往往很少考查单独用电磁继电器来控制电路的情况，而是常与传感器或电阻结合起来考查。这样的考题中，可以是传感器与电磁继电器的联合控制，或者电阻与电磁继电器的联合控制，也可以是三者共同控制。若是含变阻器的联合控制电路，则变阻器给电路设定一个基态，在这个基态上再通过传感器的变化去影响控制电路；不同的基态上由传感器引起的工作电路的状态不同，因此，学生既需要考虑传感器的变化也不能忽略滑动变阻器的影响。

例3 （2011年南京）小明根据所学的电学知识，想设计一个汽车超载自动报警电路。他查阅了相关资料了解到压敏电阻是阻值随压力变化而变化的元件，并了解到压敏电阻在生活中的一种应用——压力传感器。压力传感器受到的压力越大，输出的电压就越大，用它可以称量汽车的重量。某压力传感器输出电压与压力的关系如表1。

小明利用该压力传感器和电阻箱R'（最大电阻999.9 Ω）及部分其他器材设计了图3甲所示的电路。闭合开关S，当线圈中电流大于或等于20 mA时，电磁继电器的衔铁被吸合。已知继电器线圈的电阻为25 Ω，继电器电路的电源电压由传感器的输出电压U提供。（假设U不受继电器电路影响）

（1）根据表格中的数据，请在图3乙给定的坐標系中描绘出压力传感器的输出电压随压力变化的图像；

（2）当压力增加到一定程度时，电铃报警，说明汽车超载，则图3甲中电铃应接在

（选填“A、B”或“C、D”）两端；

（3）小明希望压力大于或等于2.4×105 N时，启动报警系统，则电阻箱R'的电阻应调节到多大？

（4）要使该装置报警，汽车的最小重力为多少？

分析：此题考查了压敏电阻的应用——压力传感器，以压敏电阻的特性为主线，积极创设问题情境，将电磁继电器的原理、压敏电阻的特性、物理图像的绘制、欧姆定律、力学等知识巧妙结合在一起，既注重了初中物理的重点知识，也考查了学生吸收并应用新知识的能力。

联合控制类电路综合题是近年来中考常考的题型。2016、2017年江苏南通中考物理卷，2014、2015年江苏镇江中考物理卷和2015、2016年江苏常州的中考物理卷都连续两年考查到，2014年的浙江义乌和2016年的浙江温州科学卷也都考查了联合控制电路。这些题都结合了现实生活或科技应用来考查，对学生的综合能力要求较高，有很高的深广度。对于这类题型的频繁出现，教师和学生需要予以特别关注。

2 初中电路控制类综合题的特点

变阻器、传感器、电磁继电器都可以用于控制电路，在综合题类题型中也经常出现，通过研究发现这类题型有以下几方面的共同特点。

（1）密切联系生活实际。电路控制在日常生活中有广泛的应用，电路控制类中考题必然会密切联系生活实际。试题经常会以生活中的具体事物为背景，例如超载自动报警电路、空调等电器中的温控装置、汽车油量表、水位计、高温自动报警器、扫地机器人、自动加湿器、防盗报警装置、智能洁具、智能照明系统等，通过对日常生活中接触到的事物进行研究分析，既巩固了已学知识又能引起学生的探究和解题兴趣，丰富学生的感性认识，让学生能将书面化的知识在现实生活中找到固着点。

（2）密切联系现代技术。传感器往往和现代控制技术联系密切，初中物理的中考题常常以传感器在现代控制技术中的具体应用作为背景。在现代控制技术中，传感器常被用于手机的指纹识别、屏幕自动转向及自动调节明暗程度、手机各种APP功能的实现，以及智能家居中监测温度和亮度、食物新鲜度等的家用器件中，医学中监测气体成分及流量的器械、血液分析仪等诊断器械、睡眠呼吸机、制氧机、输液泵等中。这些现代技术开拓了学生的眼界，让学生了解到现代技术的发展方向，为学生的创新能力打下基础。

（3）物理知识之间的桥梁。这类题往往涉及到更高阶段的物理知识，比如光敏电阻、压敏电阻等传感器相关的知识就涉及了高中和大学物理的内容。这类题不仅可以拓展学生的视野，培养学生学习物理的兴趣，还可以减少学段之间知识的断层现象，做好初高中之间的衔接，有利于形成系统的知识结构。

（4）学生创新能力发展的源头。有了电路控制技术，电路的设计就更具有可能性。学生可以根据已有的相关控制电路的知识自己去设计发明便利的日常生活的事物。学生经历提出构思、猜想、制定计划、实施计划等独立的研究过程，不断遇到问题，不断产生困惑，并积极主动思考，提出问题、分析问题，最后解决问题。这个过程中，学生的问题意识得到培养和提高，而问题意识是学生发展创新能力和创新精神的基础。同时，在设计的过程中，学生亲自验证了学过的知识，在运用中加深了理解，受到了启发和激励，利于知识的迁移和联想，有助于学生创新能力的培养。

3 解决初中电学控制类综合题的知识技能要求

问题解决是以知识为基础的，同时需要技能或能力的辅助才能实现。学生要解决这类问题必须要有知识和技能两个方面的储备，所以要分析这类题对学生的要求必然会从知识和技能两个角度来分析。

综合分析来看，解决电路控制类综合题需要的知识技能主要包括：一、 基础知识。控制电路题型中涉及到的知识主要包括电路知识和传感器知识。另外，由于这类题往往是综合性题型，还需要力学、热学等其他的物理基础知识；二、物理情境理解与建模能力。初中电路控制类综合题常常结合生活中的实际来考查，如果学生对应用的物理情境不理解，不能建立起相应的物理模型，当突然面对此类题型时会不知所措，找不到解题的切入点。所以，物理情境的理解能力和较高的建模能力对学生的解题大有益处；三、推理分析能力。电路控制类综合题对推理分析能力的要求比较高，因为控制电路涉及到各种各样的电学元件，电学元件之间的变化具有连锁性，相互之间的关联性比较强，不像力学部分讨论的问题或变量都是孤立的。这里涉及的是电子元器件之间的相互耦合和连接，需要学生通过推理分析来解决问题；四、知识迁移能力。传感器知识对于学生来说是新的未曾接触过的知识，学生需要和已学的电路知识联系起来才能理解控制电路的原理和功能。实现知识能力之间的这些联系和了解它们之间的相互影响是学生解题的前提，這就需要学生有较高的知识迁移能力；五、 实验技能。虽然初中物理电学实验中很少涉及到传感器和电磁继电器，但是实验技能的提高有助于学生理解电路的原理，也有助于学生对实验方法的正确选择和帮助学生关注在实验中应注意的细节，理解题目的意义。通过实验，可以向学生展示物理情境，促进知识的迁移，为题目的解答打下基础。

综上所述，中考电路控制类综合题与生活联系紧密，契合了现代科技的发展。这类题有利于学生知识技能的提高、思维的拓展及理解生活事物。帮助他们吸收课堂知识，养成关注生活、科技的习惯，认识到知识的应用价值，提高他们的学习兴趣和积极性。此类题对学生的学和教师的教都具有导向作用，教师应该针对这类题的特点及知识技能的要求进行恰当的教学。

参考文献：

[1]梁健华.浅谈初中物理电学教学策略[J].中学物理，2016，34（2）：80-81.

[2]刘茂军，刘惠莲，肖利.传感器与中学物理实验整合的策略研究[J].教学与管理，2013（27）：149-151.

（栏目编辑 陈 洁）