葉鳴揚(yáng)

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校，江蘇 南京 210011)

1 引言

電磁繼電器是利用電磁鐵對(duì)電路進(jìn)行控制的一種開(kāi)關(guān)，其工作電路由低電壓、弱電流的控制電路和高電壓、強(qiáng)電流的工作電路組成。當(dāng)控制電路中的電流增大到某一值時(shí),電磁鐵即可將銜鐵吸下,杠桿前段的動(dòng)觸點(diǎn)也會(huì)隨杠桿移動(dòng),從而改變工作電路的通斷狀態(tài)。

在近幾年的中考物理試卷中,含電磁繼電器的電路問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，這類問(wèn)題與生活聯(lián)系密切,可從審題、分析、計(jì)算等多維度考查學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力。很多學(xué)生遇到這類“文多圖繁”的問(wèn)題時(shí),容易產(chǎn)生畏難情緒,甚至還未充分理解題意,便迫于考試時(shí)間壓力而匆忙下手,導(dǎo)致得分率很低。筆者采用由簡(jiǎn)入繁建模型和由繁入簡(jiǎn)抓關(guān)鍵的雙向路徑設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)專題，對(duì)含電磁繼電器問(wèn)題進(jìn)行梳理,幫助學(xué)生突破難點(diǎn)。

2 由簡(jiǎn)入繁建模型

2.1 巧設(shè)生活情境,引出電磁繼電器

師:圖1是我們非常熟悉的電路,它的功能是什么?

圖1

生:可以實(shí)現(xiàn)燈光亮度的持續(xù)可調(diào)。

師:生活中,我們還會(huì)遇見(jiàn)一類燈具，其亮度不會(huì)隨電流的增大持續(xù)變亮,而是當(dāng)電流達(dá)到某一值時(shí),燈泡才亮起;當(dāng)電流未達(dá)到該值時(shí),燈泡不亮。請(qǐng)你運(yùn)用所學(xué)知識(shí),實(shí)現(xiàn)這一功能。我們學(xué)過(guò)何種元件可以通過(guò)電流的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)另一電路通斷的控制?

生:電磁繼電器!當(dāng)電流增大到一定值時(shí),銜鐵被吸下,工作電路閉合,用電器工作。

師:電磁繼電器在工作電路中充當(dāng)什么元件?

生:開(kāi)關(guān)。

師:根據(jù)你的構(gòu)思,畫出電路圖(圖2)。

圖2

設(shè)計(jì)意圖:電磁繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的自動(dòng)控制,是實(shí)現(xiàn)電路躍變式切換的元件。通過(guò)本環(huán)節(jié)教學(xué)，讓學(xué)生明白：電磁繼電器問(wèn)題源于生活,并非專為出難題而編制,從而消除學(xué)生的畏難情緒,為后續(xù)討論作鋪墊。再通過(guò)提問(wèn)與作圖,使學(xué)生明確電磁繼電器在工作電路中所起開(kāi)關(guān)的作用。

2.2 設(shè)計(jì)問(wèn)題作鋪墊,引出光敏電阻

師:在圖2中是通過(guò)手動(dòng)操縱滑片來(lái)改變電路中的電阻的，你知道有哪些元件會(huì)隨外界環(huán)境的變化而導(dǎo)致阻值發(fā)生變化?

生:光敏電阻、熱敏電阻、壓敏電阻……

師:以光敏電阻為例,如圖3所示，當(dāng)外界光照強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí),燈泡才會(huì)亮起,那么光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度如何變化?

圖3

生:當(dāng)外界光照變暗時(shí)，銜鐵被吸下,即電流增大,電阻減小，該光敏電阻的阻值應(yīng)當(dāng)隨光照強(qiáng)度的減小而減小。

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)自動(dòng)控制的需求引入光敏電阻,電路圖由圖2演變?yōu)閳D3。再讓學(xué)生根據(jù)實(shí)際需求來(lái)分析敏感電阻器的環(huán)境應(yīng)變規(guī)律:天暗→燈亮→吸下銜鐵→電流增大→電阻減小,建構(gòu)學(xué)生的邏輯思維鏈,培養(yǎng)其思維能力。

2.3 反轉(zhuǎn)現(xiàn)實(shí)情形,思考電路的改進(jìn)

師:真實(shí)的光敏電阻和大家的設(shè)想相反,它的阻值會(huì)隨光照的增強(qiáng)而減弱。若仍用圖3的電路,就會(huì)出現(xiàn)白天燈亮、夜晚燈滅的情況。該如何改進(jìn)呢?

生:可以將一個(gè)靜觸點(diǎn)改接在上方,這樣銜鐵吸下時(shí)工作電路斷開(kāi),銜鐵彈上時(shí)工作電路閉合(圖4)。

圖4

設(shè)計(jì)意圖:光敏電阻的變阻原理涉及光電效應(yīng)，在課堂上不必介紹。在教學(xué)中先讓學(xué)生猜測(cè)光敏電阻的特性,然后通過(guò)提問(wèn)，向真實(shí)的光敏電阻轉(zhuǎn)變，其目的是為了引導(dǎo)學(xué)生思考從改接電路的角度來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的轉(zhuǎn)變。通過(guò)引導(dǎo),學(xué)生解決電路連接問(wèn)題的能力會(huì)得到相應(yīng)提升。

2.4 加入定量計(jì)算,引出臨界問(wèn)題

問(wèn)題情境：控制電路電源電壓恒為12V,線圈電阻為20Ω,光敏電阻R的阻值隨光照強(qiáng)度的變化如圖5所示。當(dāng)電磁鐵線圈電流達(dá)到60mA時(shí)能吸合銜鐵,則當(dāng)光照強(qiáng)度為多少時(shí),燈自動(dòng)點(diǎn)亮?

圖5

師:電流達(dá)到60mA銜鐵就吸合,怎樣求出光照強(qiáng)度?

設(shè)計(jì)意圖:該環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題由定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)變。為了做到鋪墊有序,難度逐漸提升,本環(huán)節(jié)暫不涉及取值范圍、動(dòng)態(tài)調(diào)整等,僅要求學(xué)生用一種狀態(tài)下的電流值計(jì)算該狀態(tài)下的光照強(qiáng)度值,掌握處理臨界問(wèn)題的方法。

2.5 變形現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,探討解決方案

生:不強(qiáng)，已經(jīng)很微弱了。

生1:當(dāng)光照強(qiáng)度為4cd時(shí),光敏電阻阻值為30Ω。

生2:電路狀態(tài)的改變條件依然是控制電路電流達(dá)到0.06A,總電阻需達(dá)到200Ω。

生3:控制電路中還需串聯(lián)一個(gè)阻值為150Ω的定值電阻(圖6)。

圖6

師:算出150Ω的思路是什么?

設(shè)計(jì)意圖:教師通過(guò)適當(dāng)拓展物理學(xué)史知識(shí),讓學(xué)生意識(shí)到：電路設(shè)計(jì)方案應(yīng)隨著現(xiàn)實(shí)需求而改變。之前的電路設(shè)計(jì)實(shí)用價(jià)值不高,需要再加一個(gè)定值電阻,以滿足光照強(qiáng)度為4cd時(shí)變換電路狀態(tài)的目的，同時(shí)總結(jié)思路。

2.6 升級(jí)動(dòng)態(tài)問(wèn)題,提煉一般方法

生2:這樣比較麻煩，可以將控制電路中150Ω的定值電阻更換為最大阻值為150Ω的滑動(dòng)變阻器，以替代定值電阻(圖7)。

圖7

師:在實(shí)際生活中,為了方便操作,需要在滑動(dòng)變阻器不同位置標(biāo)記對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度值。請(qǐng)計(jì)算得出滑動(dòng)變阻器120Ω處、140Ω處應(yīng)標(biāo)記的光照強(qiáng)度值，學(xué)生經(jīng)計(jì)算得出光照強(qiáng)度值分別為2cd和3cd。

設(shè)計(jì)意圖:為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滑動(dòng)變阻器由光敏電阻替代，再引入滑動(dòng)變阻器，是為了滿足現(xiàn)實(shí)需求而選用的。只要控制電路電源電壓，且電磁繼電器的臨界電流值確定了，那么電路變換時(shí)，控制電路的總阻值就保持不變,若變換時(shí)需光敏電阻阻值小一些,則滑動(dòng)變阻器阻值就應(yīng)調(diào)大些。

3 由繁入簡(jiǎn)抓關(guān)鍵

在課堂上教師精心設(shè)計(jì)問(wèn)題、層層鋪墊,學(xué)生相互討論，總結(jié)出解決含電磁器問(wèn)題的思路。學(xué)生是否真正掌握了解決問(wèn)題的精髓？作為復(fù)習(xí)課,還需通過(guò)真題演練進(jìn)行檢驗(yàn),以提升學(xué)生的能力。

例(2018年南京中考):圖8甲為熱敏電阻的R-t圖象,圖8乙為用此熱敏電阻R和電磁繼電器組成的一個(gè)簡(jiǎn)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(shí),銜鐵被吸合,加熱器停止工作,實(shí)現(xiàn)溫控。

圖8

(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(duì)50℃～100℃之間任一溫度的控制,該裝置恒壓電源U至少為V。若恒壓電源U為6V,則滑動(dòng)變阻器R′的最大阻值至少為Ω。

分析:第(1)問(wèn)對(duì)應(yīng)復(fù)習(xí)課中“真假光敏電阻”而引出的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。問(wèn)題解決的關(guān)鍵為工作電路,電磁繼電器在這里相當(dāng)一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān),故可將圖8乙簡(jiǎn)化為圖9。由“銜鐵被吸合,加熱器停止工作”可以推出：“在C、D端接入電路,加熱器停止工作”,從而得出加熱器應(yīng)接在A、B端。

圖9

第(2)問(wèn)對(duì)應(yīng)復(fù)習(xí)課中的定量計(jì)算環(huán)節(jié)，問(wèn)題解決的關(guān)鍵是控制電路,可簡(jiǎn)化為圖10。看到“至少”二字,多數(shù)學(xué)生都能想到,暫取滑動(dòng)變阻器阻值為0 Ω進(jìn)行計(jì)算。

圖10

根據(jù)溫度50℃和100℃,可求出電源電壓分別為4.8V和4V。面對(duì)兩個(gè)答案，怎么取舍？多數(shù)學(xué)生錯(cuò)誤地將目光再次聚焦在“至少”二字上,從而得出錯(cuò)誤答案:電源電壓為4V。這時(shí)教師不宜直接公布答案,可以層層設(shè)問(wèn),逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的原因,從而掌握解題方法。

師:我們做題時(shí)不能忘了“初心”,同學(xué)們還記得這個(gè)電路的“初心”是實(shí)現(xiàn)什么功能?

生:實(shí)現(xiàn)對(duì)50℃～100℃之間任一溫度的控制。

師:根據(jù)100℃算出的4V確實(shí)低于4.8V,要想證明4V就是最終答案,至少還應(yīng)該滿足什么條件?

生:對(duì)于50℃也可控制。

師:現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算,當(dāng)電源電壓為4V時(shí),能否實(shí)現(xiàn)對(duì)50℃的控制?

生：不能，這時(shí)R滑=-40Ω,和實(shí)際情況不符。

對(duì)于第(2)問(wèn)后一空,學(xué)生從50℃和100℃出發(fā),不難對(duì)60Ω和100Ω兩個(gè)值作出正確取舍。

4 結(jié)語(yǔ)

各地歷年中考卷中的能力考查題是試卷的拉分之處,也是試卷的精彩之處。這類題的特點(diǎn)是：(1) 圖文并茂,文字閱讀量較大；(2) 模型復(fù)雜,應(yīng)用的知識(shí)綜合性較強(qiáng)。對(duì)于復(fù)雜的模型問(wèn)題,應(yīng)安排專題復(fù)習(xí),復(fù)習(xí)時(shí)可遵循以下原則：

(1) 回溯模型本源,自然引入問(wèn)題。復(fù)雜的模型應(yīng)用問(wèn)題往往會(huì)給學(xué)生強(qiáng)烈的陌生感,在專題復(fù)習(xí)時(shí),教師不宜直接拋出中考原題,而應(yīng)回到生活中,找回問(wèn)題的來(lái)源,將提出問(wèn)題解決方法的機(jī)會(huì)讓給學(xué)生,使學(xué)生開(kāi)啟難點(diǎn)突破之旅。

(2) 由簡(jiǎn)入繁,引導(dǎo)學(xué)生參與建模。復(fù)雜模型類問(wèn)題通常元件繁多,邏輯思維鏈較長(zhǎng)。“一鍋端出”的呈現(xiàn)方式只能讓少數(shù)分析能力強(qiáng)的學(xué)生掌握，對(duì)于絕大部分學(xué)生只能被迫接受,機(jī)械訓(xùn)練,掌握效果較差。教師應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計(jì)問(wèn)題,采用“逐步加料”的方式,根據(jù)符合生活實(shí)際的一個(gè)個(gè)需求,將模型逐步復(fù)雜化。讓每一個(gè)元件的出現(xiàn)都能凸顯它們的作用,讓模型的“進(jìn)化”之路閃爍著學(xué)生的智慧之光。讓學(xué)生從命題者的視角審題讀圖,讓他們思路清晰,不再畏難。

(3) 從定性過(guò)渡到定量,及時(shí)提煉方法。對(duì)于定量計(jì)算的物理問(wèn)題，若缺少定性分析過(guò)程，就會(huì)使學(xué)生方法不明、思路不順。在復(fù)習(xí)課上，教師不要急于求成,應(yīng)注意先通過(guò)定性分析厘清各種變化之間的邏輯關(guān)系,再進(jìn)行定量計(jì)算。在逐步建構(gòu)模型的過(guò)程中,逐漸滲入定量計(jì)算，其真正目的在于提煉解決問(wèn)題的方法,以計(jì)算促進(jìn)思考,讓問(wèn)題更加直觀，方法的提煉才是復(fù)習(xí)課的重中之重。

(4) 跟進(jìn)真題檢驗(yàn),留足反思空間。在中考復(fù)習(xí)中，習(xí)題訓(xùn)練是必不可少的環(huán)節(jié)。為了讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)提升復(fù)習(xí)效果，教師不僅應(yīng)該研究近年中考題,仔細(xì)甄選,還要揣摩學(xué)生可能的錯(cuò)因,對(duì)方法進(jìn)行推敲比較。在課堂講解時(shí)，要給學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯(cuò)因、糾正錯(cuò)誤的機(jī)會(huì),只有充分發(fā)揮學(xué)生的主體性作用,復(fù)習(xí)課才會(huì)變得生動(dòng)有效。通過(guò)“由簡(jiǎn)入繁”再“由繁入簡(jiǎn)”雙向思維過(guò)程的復(fù)習(xí)和訓(xùn)練,學(xué)生的核心素養(yǎng)會(huì)得到提升。