熱敏電阻范文

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關鍵詞：PTC熱敏電阻；特性；改進應用

中圖分類號：TN373 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 24-0000-02

一、前言

PTC熱敏電阻具有正溫度系數熱敏電阻，并且是具有溫度敏感的半導體電阻，隨著溫度的升高電阻率增大。PTC是指人們通常叫非線性PTC效應的材料，即，在一定的溫度范圍內的變化，材料的電阻率不變或只有很小的，當溫度達到一個特定的過渡料點的溫度（居里溫度），材料的電阻率發生在幾個或幾十度突變的溫度范圍很窄，電阻率迅速增加103-109個數量級。

陶瓷材料通常用作高性能優良的絕緣體，陶瓷PTC熱敏電阻卻以鈦酸鋇為基，摻雜其他制造多晶陶瓷材料，具有低電阻導電性能和半。一個價更高的摻雜材料的目的為基體元素晶體實現：在鈦酸鋇晶格的一部分或離子通過離子更昂貴的替代，它得到了自由電子導電數。PTC熱敏電阻的影響，也逐步增加阻力的原因，是材料的結構是由許多小晶粒，晶粒的界面，所謂的晶粒邊界（晶界）上形成的障礙，阻礙了電子進入相鄰的區域，和因此產生的高電阻。這種效果是在低的溫度偏移：在晶界的高介電常數和自發的在較低的溫度下極化阻礙勢壘的形成和電子可以自由地流動。但這種效果在較高的溫度下，介電常數和極化強度大大降低，造成的障礙和阻力大大增加，表現出較強的PTC效應。

二、PTC材料的三大特性

PTC具有的3個主要特性，即電壓-電流特性、電流-時間以及電阻-溫度特性。

（一）電壓―電流特性（V-I特性）

電壓―電流特性即伏安特性，是指在25攝氏度靜止空氣中，加在熱敏電阻器引出端的電壓與達到熱平衡的穩態條件下的電流之間的關系。它展示了PTC熱敏電阻在加電氣負載達到熱平衡的情況下，電壓與電流的相互依賴關系V-T特性見圖1。

PTC熱敏電阻伏安特性大致可分為三個區域：本在0-Vk之間的區域稱為線性區，此區域的電壓和電流的關系基本符合電路歐姆定律，不產生明顯的非線性變化，也稱不動作區。在Vk-Vmax之間的區域稱為躍變區，此時由于PTC熱敏電阻的自熱升溫，電阻值產生躍變，電流隨著電壓的上升而下降，所以此區也稱動作區。在VD以上的區域稱為擊穿區，此時電流隨著電壓的上升而上升，PTC熱敏電阻的阻值呈指數型下降，于是電壓越高，電流越大，PTC熱敏電阻的溫度越高，阻值越低，很快導致PTC熱敏電阻的熱擊穿。

（二）電流-時間特性（I-T特性）

見圖2，電流-時間特性是指熱敏電阻器在增加電壓過程中，電流變動的特性。開始加電壓瞬間的電流稱為起始電流，平衡時的電流稱為殘余電流。一定的環境溫度下，給PTC熱敏電阻加一個起始電流，通過PTC熱敏電阻的電流降低到起始電流50%時經歷的時間即動作時間。電流-時間特性是自動消磁PTC熱敏電阻、延時啟動PTC熱敏電阻、過載保護PTC熱敏電阻的重要參考特性。

（三）電阻―溫度特性（R―T特性）

電阻-溫度特性通常是一個電阻溫度特性，是指在規定的電壓下，PTC熱敏電阻零功率電阻與電阻體溫度相互的依賴關系。零功率電阻是指在一定溫度下的熱敏電阻值的測量，并在PTC熱敏電阻上功率消耗很低，低到PTC熱敏電阻的功耗引起的電阻變化是可以忽略不計的，零功率額定零功率電阻是指25℃率測量的電阻值的環境溫度。R-T特性見圖3。

三、應用

PTC發熱元件在國內及世界各國廣泛而大量用于工程測量與控制、電子娛樂設備、家用電器、汽車電子、通訊等領域，以及民用領域如洗衣機電子門鎖、熔膠槍、卷發器等。

（一）醫療美容呼吸器型PTC加熱器

1.簡介。醫療美容呼吸器型PTC加熱器，主要應用PTC體積小，安全，無明火，自動控溫的特點，將PTC熱敏電阻發熱片應用到醫療器具中來，漸漸成為了人們研究開發的新方向。

傳統產品PTC加熱器需通過溫控裝置控制電熱絲的溫度加熱液體，溫控裝置一旦失靈，易燒壞容器，易燙傷人體，而且對液體的蒸發量不能勻速控制。采用PTC加熱，節能安全，恒定的溫度又能勻速控制液體蒸發。片狀集成液體型PTC加熱器是由一片或多片集成的PTC陶瓷發熱元件，采用聚酰胺薄膜絕緣外加片狀保護殼組合而成，使之直接接觸被加熱液體利用熱對流進行加熱的PTC加熱器。PTC加熱組件外殼利用拋光氧化的鋁型材緊壓，分高、低兩檔加熱控制（起到節能效果），鋁型材密封固定在塑料鍋上，液體加入塑料鍋內與鋁型材平整面接觸，通電后PTC先用高檔發熱加熱鋁型材，通過熱傳遞快速加熱液體使之以蒸汽的方式蒸發，再轉換低檔加熱控制液體勻速蒸發。把美容或治療所需的藥物溶入水中倒入該容器，通過其他連接通道，可以把蒸發上來的蒸汽通到臉部用于面部美容，也可以把蒸發上來的蒸汽通到鼻孔口，通過呼吸進入人體內，可以用于醫學治療，開辟了新的使用領域。

2.工作原理。圖4所示是一應用PTC熱敏電阻實現恒溫加熱的呼吸器型PTC加熱電路，如果溫度指數高于40℃的時候，熱敏電阻PTC阻值增大晶體管T1基極電位將會升高，T1導通，T2也導通，晶閘管VS的觸發極被T2短路，晶閘管VS阻斷，保溫加熱器R7不工作。如果出現溫度低于30℃的時候，PTC阻值會變小，T1、T2截止，R5、C2及R6組成移相電路，使晶閘管VS導通，保溫加熱器R7通電發熱。這樣，在熱敏電阻控制中，溫度將會維持在30℃-40℃左右。R5、D、WD及C1組成的電路具有降壓、半波整流、穩壓及濾波功能，可為T1、T2提供直流電壓。R1、R2及PTC是T1的偏置電路。若調節R2，改變T1的基極電位，可實現改變保溫溫度。

多功能離子蒸汽吸入器，無需溫控裝置，勻速自動控制液體蒸發量。由于PTC發熱器件是勞動密集型產品，隨著人工成本的上升和企業規模的不斷擴大及質量穩定性的要求不斷提高，實施后為醫療美容行業提高生產效率，實現安全操作，充分滿足市場對PTC發熱器件的需求。

（二）空調型PTC加熱元件

1.簡介。利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫特性設計的加熱元件，在小功率加熱場合中，PTC加熱元件具有恒溫發熱、自然壽命長的優勢，熱轉換率高、受電源電壓影響極小，傳統發熱元件無法勝任。因此，在傳統的PTC發熱元件技術基礎上進行攻關，調整配方體系和受主雜質的比例，結合工藝內部的細節調整，解決相關PTC發熱片的耐壓問題和功率衰減等技術難題，研制開發了空調型PTC加熱元件，可大大提高產品的安全性能和延長產品使用壽命。

2.改進。老產品元件通電600V保壓1分鐘勉強能通過，時有出現擊穿現象；新產品元件通電650V保壓三分鐘能通過。老產品組裝成組件500V連續通電5分鐘能勉強通過，新產品組裝成組件500V連續通電15分鐘能通過；大大提高了安全性能。老產品組裝成組件253V連續無風通電1000小時功率衰減在9%-14%之間，超出要求；新產品組裝成組件253V連續無風通電1000小時功率衰減小于7%，大大延長了產品的使用壽命?？照{型PTC加熱元件已被格力、美的、海爾等知名空調企業認可，有很大的市場，由于性價比高，已大批供貨，項目具有很好的經濟和社會效益。

四、結束語

PTC作為一個新興的材料和成分正在受到人們的重視，特別是開發和利用聚合物基PTC材料，將在未來的每一個領域都有著廣泛代替傳統的加熱的方法和電路保護方式，以便在相關領域的革命性變化。隨著科學研究的發展和生產技術提高，PTC特性將繼續發展和成熟，其應用前景將更加廣闊。

參考文獻：

[1]呂國泰，吳項.電子技術[M].北京：高等教育出版社，2001（05）.

[2]宋寶榮，唱潤忠."PTC"在家用電器中的應用[J].電工技術，1994（01）：45-46.

[3]席軍，劉廷華.PTC熱敏電阻的開發應用現狀[J].塑料，2005（04）.

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關鍵詞：中性點非有效接地系統；電磁式電壓互感器；鐵磁諧振；熱敏電阻；一次限流消諧器

1引言

在中性點非有效接地系統中，電磁式電壓互感器（以下簡稱PT）鐵磁諧振過電壓是出現最頻繁、造成事故最多的一種內部過電壓。PT鐵磁諧振過電壓，往往會導致PT熔斷器熔斷，甚至導致PT燒損，PT柜、避雷器、電纜頭爆炸，母線全停，對電網的安全運行構成了極大的威脅，并嚴重影響了供電的可靠性。雖然目前電網已采取了各種消諧措施，但依然未能遏制PT鐵磁諧振過電壓事故的上升勢頭。此外，某些情況下PT飽和時的勵磁電流增長，不會造成PT一次熔斷器立即熔斷。經過一段時間的電流作用后，熱量的累積最終會導致熔斷器的熔斷，但電弧往往不能熄滅。持續的燃弧會造成熔管炸裂，從而引發PT柜內母線短路事故。

2 PT鐵磁諧振的機理及傳統消諧技術分析

2.1 PT鐵磁諧振的發生機理概述

在中性點非有效接地系統中，為了測量三相對地電壓和監視對地絕緣，PT的中性點直接接地。如圖1所示，網絡參數除了電力設備和導線對地等效電容C0外，還有PT的勵磁電感L。

圖1中性點非有效接地系統的等效網絡

正常運行時，PT的勵磁阻抗很大，并與網絡的對地等效電容并聯。由于網絡中的感抗大于容抗，所以網絡對地阻抗仍呈容性。但當系統中出現某些擾動，使PT三相電感飽和程度不同時，PT的勵磁電感將與網絡的對地電容構成特殊的諧振回路，產生諧振過電壓。根據網絡參數的不同，PT諧振的類型包括：工頻諧振、高頻諧振和分頻諧振三種類型，其中分頻諧振會造成PT的嚴重飽和，因此危害性最大。

2.2 PT鐵磁諧振的傳統消諧技術

對于中性點非有效接地系統中的PT鐵磁諧振，目前消諧的方法較多，歸納起來，主要可分為改變參數、增加阻尼兩大類，但均存在缺點和不足。

2.2.1 改變參數

（1）改善PT的伏安特性，使之不容易發生磁飽和。在這種情況下，必須要有更大的激發才會引起諧振。為此，應當減小鐵芯磁密，即增大鐵芯的截面積。為了消除諧振，鐵芯的截面積應當增大到4倍以上，這是不現實的。因此改善勵磁特性只能降低諧振的概率。但是特性改善后，一旦產生諧振，過電壓將會變得更高。

（2）對于減少同一網絡中并聯PT臺數，因中性點非有效接地系統屬于配電網絡，直接對用戶供電，所以實際難以做到。

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    關鍵詞:熱敏電阻,摻金γ-硅熱敏電阻,Z-元件,力敏Z-元件,V/F轉換器

    一、前言

    Z-半導體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特,應用電路簡單而且規范,使用組態靈活,應用開發潛力大。它包括Z-元件在內僅用兩個﹙或3個﹚元器件,就可構成電路最簡單的三端傳感器,實現多種用途。特別是其中的三端數字傳感器,已引起許多用戶的關注。

    Z-元件現有溫、光、磁,以及正在開發中的力敏四個品種,都能以不同的電路組態,分別輸出開關、模擬或脈沖頻率信號,相應構成不同品種的三端傳感器。其中,僅以溫敏Z-元件為例,就可以組合出12種電路結構,輸出12種波形,實現6種基本應用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個品種,其可供開發的擴展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應用領域,很有從深度上和廣度上進一步研究的價值。

    本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎上,結合生產工藝和應用開發實踐,在半導體工作機理上和電路應用組態上進行了深入的擴展研究,形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實例,本文重點介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器,供用戶分析研究與應用開發參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產工藝簡單、成本低、使用方便等特點。

    二、摻金g-硅新型熱敏電阻

    1.概述

    用g-硅單晶制造半導體器件是不多見的,特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來制造Z-元件以外的半導體器件,目前尚未見到報導。Z-元件的特殊性能,主要是由摻金高阻g-硅區﹙也就是n-i區﹚的特性所決定的,對摻金高阻g-硅的性能進行深入地研究希望引起半導體器件工作者的高度重視。

    本部分從對摻金g-硅的特性深入研究入手,開發出一種新型的熱敏元件,即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術特性和應用特點。

    2.摻金g-硅熱敏電阻的工作機理

    “摻金g-硅熱敏電阻”簡稱摻金硅熱敏電阻,它是在深入研究Z-元件微觀工作機理的基礎上,按新的結構和新的生產工藝設計制造的,在溫度檢測與控制領域提供了一種新型的溫敏元件。

    為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件,必須首先了解它的工作機理。Z-元件是其N區被重摻雜補償的改性PN結,即在高阻硅材料上形成的PN結,又經過重金屬補償,因而它具有特殊的半導體結構和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線,圖2為Z-元件的半導體結構示意圖。

    由圖1可知,Z-元件具有一條“L”型伏安特性[1],該特性可分成三個工作區:M1高阻區,M2負阻區,M3低阻區。其中,高阻的M1區對溫度具有較高的靈敏度,自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點。

    從圖2可知,Z-元件的結構依次是:金屬電極層—P+歐姆接觸區—P型擴散區—P-N結結面—低摻雜高補償N區,即n-.i區—n+歐姆接觸區—金層電極層。可見Z-元件是一種改性PN結,它具有由p+-p-n-.i-n+構成的四層結構,其中核心部位是N型高阻硅區n-.i,特稱為摻金g-硅區。摻金g-硅區的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎。

    Z-元件在正偏下的導電機理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種PN結,對圖2所示的Z-元件結構可按P-N結經典理論加以分析,因而在p-n-.i兩區中也應存在一個自建電場區。該電場區因在P區很薄,自建電場區主要體現在n-.i區,且幾乎占據了全部n-.i型區,這樣寬的電場區其場強是很弱的,使得Z-元件呈現了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓,這時因正向偏壓的電場方向同Z-元件內部自建電場方向是相反的,很小的正向偏壓便抵消了自建電場。這時按經典的PN結理論分析,本應進入正向導通狀態,但由于Z-元件又是一種改性的PN結,其n-.i型區是經重金屬摻雜的高補償區,由于載流子被重金屬陷阱所束縛,其電阻值在兆歐量級,其正向電流很小,表現在“L”曲線是線性電阻區即“M1”區。這時,如果存在溫度場,由于熱激發的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加,并參與導電,必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區尚末形成導電管道,如果施加的正向偏壓過大,將產生“管道擊穿”,甚至“管道雪崩擊穿”,將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性,這是該熱敏電阻的特殊問題。

    在這一理論模型的指導下,不難想到,如果將Z-元件的n-.i區單獨制造出來,肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻(由于半導體伴生著光效應,當然也是一個光敏感電阻),由此可構造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結構,如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN結,其中n-.i層就是摻金g-硅,它并不是Z-元件的n-.i區。測試結果表明,該結構的電特性就是一個熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性,它與現行NTC熱敏電阻相比,具有較高的溫度靈敏度。

    3.摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝

    摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝流程如圖4工藝框圖所示?？梢钥闯?該生產工藝過程與Z-元件生產工藝的最大區別,就是不做P區擴散,所以它不是改性PN結,又與現行NTC熱敏電阻的生產工藝完全不同,這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現行NTC熱敏感電阻相比具有很大區別,其性能各有優缺點。

    4.摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比

    從上述結構模型和工藝過程分析可知,摻金g-硅層是由金擴入而形成的高補償的N型半導體,不存在PN結的結區。它的導電機理就是在外電場作用下未被重金屬補償的剩余的施主電子參與導電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導電,而呈現的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅,原本施主濃度就很低,又被陷阱捕獲一些,剩余電子也就很少很少。參與導電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對份額。也就是說,摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值,是決定于工藝流程中金擴的濃度。研制實踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴散成為產品質量與性能控制的關健工序。

    我們認為,由于摻金g-硅熱敏電阻的導電機理與現行的NTC熱敏電阻的導電機理完全不同,所以特性差別很大,也存在各自不同的優缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優點是:生產工藝簡單,成本低,易于大批量生產,阻值范圍寬(從幾千歐姆到幾兆歐姆),靈敏度高,特別是低于室溫的低溫區段比NTC熱敏電阻要高近一個量級。其缺點是:一批產品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC,使用電壓有閾值限制,超過閾值時會出現負阻。

    摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對比如圖5所示。

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【關鍵詞】熱敏電阻;集成運放;電壓比較器;報警電路

引言

作為一種模擬集成電路，集成運算放大器結構簡單、用途寬廣，具有高靈敏度和功能靈活等多種優勢。負溫度系數（NTC）型熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，二者組合可組成溫度報警電路。溫度的檢測與控制電路在實際應用中比較廣泛，一般用晶體管制作而成的電路，測量誤差大，且電路比較復雜。用熱敏電阻和集成運放組成的溫度報警電路可實現溫度的檢測及報警功能，可以克服此類問題。

此電路實驗在教學中已經應用，由于電路簡單，所用的元件較少，操作容易，實驗效果直觀、顯著，學生很感興趣，加深了學生對集成運放的理解，提高了實驗動手能力。

1.NTC熱敏電阻的介紹

NTC（Negative Temperature Coefficient） 的中文意思是負的溫度系數，泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件。而NTC熱敏電阻器就是指負溫度系數熱敏電阻器，它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝加工制造而成的。此類金屬氧化物材料都具有半導體的性質，因為它們的導電方式完全類似鍺、硅等半導體材料。在溫度低時，此類氧化物材料的載流子（電子或空穴）數目較少，導致其電阻值較高;當溫度升高時，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍一般在100～1000 000，溫度系數在-2%～-6.5%[1]。可將NTC熱敏電阻器廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。NTC熱敏電阻RT的溫度特性如圖1所示。雖然它的電阻與溫度變化曲線的線性度并不太好，但由于它是單值函數（即溫度一定時，其阻值也是一定的單值。）如果設定100℃時電路自動報警，則這100℃即為閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到100℃對應的RT的電阻值。

圖1 熱敏電阻RT的溫度特性曲線

2.集成運放組成的單限電壓比較器

在自動化系統中，信號幅度的比較、信號幅度的選擇、信號的采樣和保持、信號的濾波等都是在信號處理方面經常遇到的問題。本設計需要應用由集成運放組成的比較信號幅度電路――電壓比較器，集成運算放大器是電壓比較器的核心器件[3]。電壓比較器是集成運放在非線性工作狀態下的一種具體應用。而電壓比較器，是一種用來比較輸入信號電壓大小的電子電路。它可以將連續變化的模擬信號轉換成僅有兩個高、低狀態的矩形波。集成運放工作在非線性區時，若，則運放輸出正向電壓;若，則運放輸出負向電壓。這是電壓比較器的理論基礎。圖2為最基本的電壓比較器和其電壓傳輸特性圖。兩個輸入端中的一個端子為參考端，參考電壓為UR，另一個端子（比如同相端）作為信號輸入端，比較信號電壓與參考電壓，當信號電壓小于參考電壓時，輸出則為高電平，反之輸出則為低電平。由此可得到電壓傳輸特性曲線[4]。電壓比較器通常用于越限報警、模數轉換和波形變換等場合。

圖2 基本電壓比較器及電壓傳輸特性曲線

3.電路原理圖及其工作原理

3.1 電路原理圖

電路原理圖如圖3所示。

圖3 基于集成運放的溫度報警電路圖

3.2 電路工作原理

負溫度系數熱敏電阻RT用來檢測功率器件溫度（可將其粘在散熱片上）或待測環境溫度（如置于恒溫箱），UCC為直流穩壓電源，RT和R1串聯，A點電位VA為電阻R1兩端所分得的電壓。電阻R1阻值近似不變。R2和組成分壓器，調節RP可改變VB（電位器中心頭的電壓值）的電壓。

VB值為比較器設定的閾值電壓，稱為VTH。若希望100℃時電路自動報警，則VTH的值應等于100℃時的VA值。當，比較器輸出低電平，二極管導通，三極管截止，電路不報警，為正常狀態。當，比較器輸出高電平，二極管截止，三極管導通，指示燈亮，同時揚聲器發出尖銳的報警聲。

3.3 電路的保護措施

3.3.1 輸入保護

一般情況下，集成運放工作在開環（即未引反饋）狀態時，易因差模電壓過大而損壞;在閉環狀態時，易因共模電壓超出極限而損壞。本文設計的電路原理圖中所加的二極管限幅電路就是為了限制集成運放的差模輸入電壓，保護其輸入級，以免損壞運放。此外，該電路只要改變VTH值，就可以很方便地改變閾值溫度，適合不同的工作要求。

3.3.2 輸出保護

電路原理圖中，在集成運放輸出端，由限流電阻R和穩壓管DZ組成輸出端保護電路。限流電阻R和穩壓管DZ構成限幅電路，它一方面將負載與集成運放輸出端隔離開來，限制了運放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值。當然，任何保護措施都是有限度的，若將輸出端直接接電源，則穩壓管會損壞，使電路的輸出電阻大大提高，影響了電路的性能。

4.結束語

熱敏電阻的電阻率隨溫度變化而變化，本文以負溫度系數（NTC）型熱敏電阻來進行溫度測量，將溫度信號轉化為電壓信號，輸送到由集成運放工作于非線性區構成的電壓比較器中，與閾值電壓進行比較。若高于閾值電壓，則電壓比較器輸出為高電平，此時三極管導通，報警電路工作。該電路是熱敏電阻和集成運放結合的具體應用實例，有助于加深學生對相關知識的理解和應用。

參考文獻

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[2]方佩敏.電壓比較器工作原理及應用（中）[J].無線電， 2005，1：63.

[3]張小梅.集成運放在煙霧報警器電路中的應用[J].信息通信，2013，2.

[4]乜國荃.集成運放和電壓比較器[J].青海師范大學學報（自然科學版），2006，2：48.

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E1為故障代碼：過零保護。是線盤上面的傳感器壞了，檢測不到信號，更換新的傳感器可以排除故障。

故障代碼：E2爐面熱敏電阻短路；E3爐面熱敏電阻開路；E4IGBT管熱敏電阻開路；E5IGBT管熱敏電阻短路；E6IGBT管高溫 ；E7低壓保護；E8高壓保護。

（來源：文章屋網 ）

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關鍵詞：DirectX；聲卡；時基集成電路；熱敏電阻

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1600602

Realization of Room Temperature Long Distance Monitoring System Based on Directx

WEI Ran,LI Xinlei

(Library,Henan Normal University,Xinxiang,453007,China)

Abstract：Room temperature is the most important issue in server′s normal work.Using virtual instrument thinking,thermistor and 555 time base oscillator circuit consisting of IC output as a MIC input audio signal through DirectX programming on the audio signal sampling,the realization of the realtime temperature sampling.Hardware implementation of this method simple,and making full use of the computer sound card analogdigital conversion capability and can be more precise achieve room temperature sampling,and then into the database,the final via the web programming or SMS,or other forms can be achieved room temperature remote monitoring.

Keywords：DirectX；sound card；timer IC；thermistor

聲卡是多媒體計算機系統中最基本、最常用的硬件之一,其技術發展已經十分成熟,它具有A/D，D/A 轉換功能,被廣泛應用于聲音信號的采集和虛擬儀器系統開發設計。555時基集成電路因其結構簡單、使用靈活、定時精確、可靠性高且價格低廉而被廣泛應用。Visual Basic2005是一種跨平臺的面向對象編程語言,有運行速度快、多線程、安全可靠性高等優點。DirectX 為軟件開發者提供硬件無關性,為硬件開發提供策略。微軟的DirectX 軟件開發工具包( SDK) 提供一套優秀的應用程序編程接口(APIs) ,這個編程接口可以提供開發高質量、實時的應用程序所需要的各種資源。

1 基于聲卡采樣溫度信號的硬件設計

聲卡是計算機中對聲音進行A/D或D/A轉換的器件，該器件的輸入有MIC和LINEIN兩種，輸入電壓通常在5 V以下。因為是對聲音信號進行處理，所以它的輸入部分是一個帶通濾波器，通帶頻率通常是200 Hz~35 kHz。熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。若電子和空穴的濃度分別為n，p，遷移率分別為μn，μp，則半導體的電導為：σ=q（nμn+pμp）。因為n，p，μn，μp都是依賴溫度T的函數，所以電導是溫度的函數，因此可由測量電導而推算出溫度的高低，并能做出電阻溫度特性曲線。這就是半導體熱敏電阻的工作原理。熱敏電阻包括正溫度系數（PTC）和負溫度系數（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。熱敏電阻的主要特點是：靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55～315 ℃，高溫器件適用溫度高于315 ℃（目前最高可達到2 000 ℃），低溫器件適用于-273～55 ℃；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1～100 kΩ間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產；穩定性好、過載能力強。

555無穩態多諧震蕩電路采用5 V作為Vcc時，其輸出為3.3 V左右，在聲卡輸入電壓范圍內，且輸出為很整齊的方波，十分方便通過采樣計算頻率或周期。如果將555震蕩電路（見圖1）中的R2替換為合適的熱敏電阻，那么其震蕩頻率將隨著溫度的變化而變化。選用合適的電阻（R1）和電容（C1），即可將555震蕩電路的震蕩頻率控制在聲卡能夠處理的范圍之內。由計算機的USB口提供5 V的電源，將555震蕩電路的輸出Vo作為聲卡的輸入，完成了溫度采集的電路設計。

2 基于聲卡采樣溫度信號的軟件設計

2.1 DirectX概述

DirectX是微軟公司針對Windows操作系統的非實時性而推出的一個開發庫，目的是讓圖形圖像、動畫、多媒體和游戲程序開發人員能夠輕松確定計算機的硬件性能，然后設置與之匹配的程序參數，使得多媒體軟件程序能夠在基于 Windows 的具有 DirectX 兼容硬件與驅動程序的計算機上運行，同時可確保多媒體程序能夠充分利用高性能硬件。

DirectSound是DirectX的聲音組件，是由基于組件對象模型（COM）的對象和接口組成的。DirectSound通過硬件抽象層(HAL)訪問聲音硬件，而不是直接操作硬件。HAL 是一個軟件層，DirectSound是由HAL擴展的Windows設備驅動程序。實際上，可以將DirectSound看作對音頻緩存的管理，它會盡量使用硬件的最高性能，如果當前硬件不具備某類特性時，DirectSound會使用軟件進行仿真。

2.2 利用DirectSound從聲卡采集555振蕩電路的輸出信號 DirectSound支持聲音的捕捉。一般情況下可以遵循以下原則：生成DirectSound對象；設置Directsound對象的優先級別；枚舉聲音捕捉設備；生成DirectorSoundCapture對象；生成基于初級緩沖的CaptureBuffer；生成一個次級緩存用來輸出；進行數據捕獲和播放、存儲。根據上述步驟用Visual Basic 2005通過編程實現對555振蕩電路所產生的方波的捕獲（對DirectSound編程的代碼可參考DirectX SDK里CaptureSound的例程）。這里詳細介紹對于555時基電路產生的方波的采樣及其頻率的計算方法。

當DirectSound使用48 000 Hz的采樣頻率對555時基電路所產生的方波（不大于10 000 Hz）進行采樣時，根據采樣定理（當采樣頻率fs大于信號中最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max>=2fmax,則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，采樣定理又稱奈奎斯特定理）可知，555時基電路產生的方波被采樣后將可以被無失真的恢復出來。采樣過程如圖2所示，其中T代表方波周期，t代表采樣周期，n代表采樣次數，如果對方波進行采樣1次，則T = nt，但這樣誤差較大。為了精確起見，可以對方波采樣多個周期再取平均周期作為方波的周期，從而有：T = n t / m。

2.3 建立溫度對照表，獲取環境溫度

根據555振蕩電路周期公式：T = (R1+2R2)?Cln 2可知：R2 = (T/(Cln 2)R)/2。利用Visual Basic2005編程計算出R2，并將R2與將熱敏電阻（這里用的熱敏電阻為S103D）的溫度/阻值對照表對照，即可獲得當前機房溫度，將該溫度變量寫入數據庫或文本文件。當該溫度超過某一閥值（可以自己根據情況設定）即可通過串口發送短信的方式將機房溫度及時發送給機房管理人員，從而實現了機房溫度的遠程監控。

3 結 語

機房設備是否能夠安全運行，是一個很嚴重問題，機房如果斷電，空調設備停止運行，由于UPS的支持服務器和陣列繼續工作，短短的1個小時，就可以使機房溫度上升到40 ℃，服務器等設備在這種高溫下運行是非常危險的。在此使用簡單的555電路結合Visual Basic2005編程就能實現機房溫度的遠程監控，為管理人員能夠及時發現機房環境的變化、消除隱患、

節約資金、防止不必要的損失提供了可行的解決方案。

參 考 文 獻

［1］Bill Evjen,Billy 高級編程\.3版.北京：清華大學出版社，2005.

［2］傅宇旭.DirectorX 7.0高級編程\.北京：科學出版社，

2000.

［3］閻石.數字電子技術基礎\.4版.北京：高等教育出版社，2001.

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傳統浪涌電流限制器

為限制浪涌電流強度，通常所采取的最簡單措施就是在低功率系統中的橋式整流器輸入端串聯獨立的限流電阻Rlimit或NTC熱敏電阻，如圖1所示。限流電阻阻值一般為4.7～10Ω，僅限于在10W以下的系統中應用，主要缺點是體積較大，功率損耗高，影響系統效率。用NTC熱敏電阻RT替代獨立限流電阻Rlimit，在環境溫度下，RT的阻值非常高，可有效地限制浪涌電流；在系統啟動后進入正常操作時的阻值急劇降低，從而減小了功率損耗。NTC熱敏元件的尺寸較小，適合于在20～50W的系統中用作啟動時的限流元件。在熱啟動(即NTC熱敏電阻溫度較高)時或電路板上環境溫度達到60℃以上再啟動時，NTC熱敏電阻對浪涌電流不再起限制作用。在熱態下NTC熱敏元件阻值并不為零，其損耗并非是可以忽略的。

為降低功率損耗，可在NTC熱敏元件上并聯可控硅(SCR)、三端雙向可控硅開關元件(TRIAC)或繼電器，如圖2所示。在系統啟動期間，浪涌電流由NTC熱敏電阻限制。當系統進入正常操作時，啟動控制電路觸發SCR或TRIAC，或使繼電器吸合，將NTC熱敏電阻短路。但是，SCR和TRIAC的導通損耗相對也較大，繼電器接通電阻雖然非常小，但體積過大，而且響應速度也較差。

還有一種浪涌電流限制電路被稱作半可控整流橋(HCRB)，如圖3所示。在啟動期間，浪涌電流通過二極管VD1、VD2和RT，被RT限制。在系統進入正常操作期間，AC輸入電流通過兩個SCR(SCR1與SCR2)和二極管VD3與VD4整流，而二極管VD1、VD2及限流電阻RT被短路。HCRB與其它幾種浪涌電流限制元件比較，尺寸和損耗都比較小。但應考慮功率損耗與抗瞬態電壓(dv/dt)之間的關系。

在電源變換器啟動期間，在前端會出現一些振蕩，產生dv/dt直達近300V/μs的窄尖峰脈沖。在HCRB電路中的兩只SCR,如果選擇靈敏型器件(控制極觸發電流低至幾十個微安)，其反向漏電流和反向功率損耗要比非靈敏SCR(觸發電流達幾個毫安)雖然約低100倍，但其dv/dt僅約10V/μs，抗擾性極差。即使在其控制極與陰極之間連接一只阻尼電容(100nF)，dv/dt值也只能達100V/μs。若選用非靈敏SCR，雖然其抗擾性能較好,dv/dv可達200V/μs(在附加阻尼電路后可達300V/μs以上)，但其反向功率損耗又太大。

意法微電子(ST)公司利用專用散件(ASD)工藝制作的STIL02-P5浪涌電流限制器件，則解決了功率損耗與抗擾性(dv/dt)之間的平衡。

新型浪涌電流限制器件STIL02-P5

STIL02-P5是基于半可控整流橋路(HCRB)并采用ASD工藝技術研制的一種新型浪涌電流限制器件，適用于50～150W的AC/DC電源變換器浪涌電流限制。

STIL02-P5采用5引腳直插式PENTAWATT HV2封裝，內置兩個非靈敏單向開關及其控制驅動器，如圖4所示。

STIL02-P5的L(1)腳連接AC線路相線(開關1)，N(5)腳(開關2)連接AC線路中線，pt1(2)腳和pt2(4)腳分別是功率開關1和2的控制輸入腳，OUT(3)腳為輸出端。

STIL02-P5的主要技術性能指標如下：重復正向和反向截止電壓VDout/VRout為700V，輸出端平均導通態電流為2A，不重復浪涌峰值導通態電流ITSM達65A(正弦波，tp=10ms)，動態電壓上升速率dv/dt≥500V/μs，驅動器觸發電流(Ipt1=Ipt2)為10mA，控制觸發電壓VD(pt1)=VD(pt2)=0.8V(典型值)，反向電流IRout(off)≤5μA，每只開關門限電壓Vt0為0.7V，動態電阻Rd=70mΩ，正向壓降是0.9V，器件工作結溫Tj=0～150℃。

STIL02-P5在開關電源中的應用電路如圖5所示。其工作原理與HCRB電路相同。在系統啟動期間，橋式整流器整流電流通過RT對電容C1充電，浪涌電流被RT限制。在系統啟動之后進入正常操作期間，電源變壓器附加繞組(N3)感生的高頻脈沖電壓經二極管VD5整流和電容C2濾波，施加到STIL02-P5的Pt1和Pt2腳，驅使內部兩個單向開關(S1與S2)接通，將二極管VD1、VD2和RT短路，由兩個開關S1和S2及二極管VD3與VD4整流。

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關鍵詞：交流接觸器 電路 無聲節電

1、前言

交流接觸器是利用電磁吸力及彈簧反作用力配合動作，而使觸頭閉合與斷開的一種電器，主要由電磁鐵、觸頭（包括接在主電路中的主觸頭和接在控制電路中的輔助觸頭）和滅弧裝置等三部份組成，常用的交流接觸器主要有CJ10、CJ12兩種系列，這兩種系列都存在著消耗大量的電能，產生較大的噪聲。交流接觸器的節電一直是電器技術研究的重要課題之一，市場相繼推出了各種交流接觸器無聲節電器，其基本原理是：將交流接觸器原設計的交流操作改為高壓吸合，低壓直流吸持，降低鐵心和短路環的損耗功率，達到節電降噪的目的。本人在深入研究了現有各種交流接觸器無聲節電器和節電線圈基本原理基礎上，提出采用新型敏感器件實現接觸器狀態切換控制，利用功率半導體器件作狀態切換開關，從根本上克服了有觸點開關的弊病。此技術可靠，結構簡單，成本低廉，可制成一體化節電線圈，安裝時不增加任何接線，使用維修方便。

2、電路設計思路

圖（1）是該設計的電路示意圖，圖中K1是交流接觸器直流電磁線圈，主要由敏感器件、控制環節、切換電路及整流器組成，其中的關鍵是敏感器件和切換電器中的功率半導體器件

敏感器件是采用半導體正溫度系數熱敏電阻。正溫度系數熱敏電阻（PTC）在常溫環境下具有較小的電阻值，當通一定電流時，其電阻值迅速增大。利用此特性，控制交流接觸器電磁線圈的供電，使其在通電初具有較大的電流，保證接觸器銜鐵的吸合，隨著熱敏電阻阻值的迅速增大，控制直流電磁線圈的電流減小，最后穩定在吸持狀態。切換電路中關鍵器件是功率半導體器件（晶體閘流管、大功率晶體管等），利用其開關特性代替有觸頭開關，實現電流切換；同時也可利用其電流控制作用，控制交流接觸器電磁線圈的吸持電流。整流器由半導體整流二極管組成。

3、實用節電線圈

電路圖如圖（2）所示，K1是接觸直流電磁線圈。切換元件R1是正溫度系數半導體熱能電阻（PTC），VT2為觸發二極管，VT1為晶閘管。

工作原理如下：當交流接觸器通電工作時，在L1、L2兩端接通交流工作電源，初始電流經熱敏電阻R1觸發二極管VT2為晶閘管VT1的控制極提供一導通信號。由于正溫度系數半導體熱敏電阻R1的電阻初始值很小，所以觸發電流使晶閘管VT1全導通，經整流器UR整流，直流電磁線圈K1上得到高電壓直流電，從而使接觸器迅速吸合。由于熱敏電阻R1的阻值隨著其中電流的通過而迅速增大，使晶閘管VT1的導通角迅速減小，經晶閘管VT1的電流減小，于是通過整流器UR整流到電磁線圈K1的電流僅能夠維持交流接觸器的吸合，達到節電降噪的目的。電阻R2、R3及電容C2用于改善晶閘管VT1的小導通時的導通特性，確保為電磁線圈提供合適的吸持電流。

根據交流接觸器電壓和容量的不同選用不同型號熱敏電阻、晶閘管等器件，可制成節電線圈。如電路中R1選用小電流控制用熱敏電阻MZ61，R2、R3分別選用阻值為47kΩ和100kΩ的電阻，電容C1、C2都選用為0.1μF/160V，晶閘管VT1選用KS5/6型，觸發二極管VT2選用2CTS型，整流器UR選用4007×4型，以上這些參數制成的節電線圈適用于CJ10、CJ12兩種系列（100~250A）左右的交流接觸器。

4、實際應用情況

根據上述的控制原理和選用選了電子元件，本人制作了3套一體化節電線圈，并投入到4L-20/8空壓機控制電路中試運行，控制交流接觸器的型號為CJ12-250A。經過半年的試運行，交流接觸器無發生因使用一體化節電線圈發生故障，一體化節電線圈也無發生過故障等，可見一體化節電線圈制作和應用是可行的。空壓機控制電路應用了一體化節電線圈后大大地減少接觸器吸合噪聲，同時也有效降低了原有的吸合線圈等電能損耗，經過電能表的計量對比，使用一體化節電線圈后約可節約電能達0.3~0.4kWh/h，節電效果明顯，現我礦已制作了各類的一體化節電線圈投入應用。

5、應用電路注意事項

經應用得知，在交流接觸器能正常工作的條件下，更換應用實用電路制成的一體化無聲節電線圈時，應注意以下幾點：（1）提供電源電壓不能太低，線圈技術參數與使用條件應相符，否則電磁鐵吸不上或吸不到底；（2）電源電壓不能太低或太高，容易造成線圈過熱或燒損；（3）實用電路電子器件選擇應與交流接觸器的工作電流相匹配，操作頻率不應過高，否則會造成觸頭過熱和電子元件燒損。

6、結束語

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關鍵詞：用電器具，溫度調節，采樣比較，節能控制

Multiplex Temperature Automatic Regulation Controller

Wang Mu1，Wang Yu2， Su He Lin1

（Sichuan Electric Power Research Institute Sichuan 6100721 Sichuan Electric Power Company of Neijiang Electric Power Bureau o Sichuan Neijiang 6410002）

Abstract： Whether the unit office， room settings， or family application， air–condi tioning， fans and other temperature-regulating device is power consumption big， occupy almost half of electricity， in addition to existing products， mostly manual shift and open-stop， is not convenient， and can not follow the temperature change can be， even in high gear， enter midnight or thunderstorm days a rapid drop in temperature， can also cause the use of human colds and other illnesses occur. To this end， we carried out a " multichannel temperature automatic regulation controller " development， can make the electric fan， air conditioner temperature automatic shifting and open-stop， technical level rises considerably， and is in favor of saving energy and people's physical and mental health.

Key words：Electric appliances， Temperature regulation， Sampling comparison， Energy-saving control

1 設計制作

為完成夏季溫度控制，首先選用傳感器進行環境溫度采樣，本裝置設計特點是傳感器為一組相同的負溫型熱敏電阻，傳感器為一組相同的負溫型熱敏電阻，實現環境溫度采樣。采集到的信號送往以六非門集成塊為中心的比較判斷電路，進行電平轉換控制，再經功率放大與導通角等驅動處理，啟動無極調壓和繼電器件，實現風扇、空調的溫度控制。對此，我們實施了電路設計，請見圖1。

1.1 電路原理

220V交流電分兩路工作，一路經降壓、整流、濾波、穩壓等處理，形成直流工作電源，供給溫度傳感與判斷控制等前端器件工作，另一路則送往可控硅和繼電器結點，提供給經溫度控制下的動力電源。

在圖1中，各段所用的溫度采樣器件是型號參數相同的3.6 KΩ負溫型熱敏電阻Rt，故未編序號。另采用的一個54LS04六非門集成電路，是判斷控制的中心，貫穿始終。根據運行特點，儀器分成兩大部分：

1.2 無極調壓控制

從圖2中可以看到，第一組熱敏電阻Rt和線性電阻R1串聯，再與負端電阻R2對12V電源分壓，形成對54LS04第一非門1-2的門檻電壓值。比如在夏天，當溫度為25-280C時，3.6KΩ負溫型熱敏電阻Rt阻值下降為3KΩ，這時680Ω電阻R2的分壓值UR2≥2V，超過門檻值，第一級非門翻轉，輸出低電平。

為配合低電平信號，我們選用了兩個PNP型9015和8550晶體管BG1-2構成復合功放器，經功率放大后的信號，使繼電器J1啟動。

繼電器J1啟動后，常開接點J1-1閉合，接通200kΩ電阻R14和電容C1，產生低頻振蕩，經DB3雙向二極管D1送達可控硅控制極，形成較小導通角，輸出約100V電壓，風扇啟動旋轉。

若溫度再升高，達到28-320C時，第二級熱敏電阻Rt下降到約2.4KΩ，560Ω電阻R4的分壓值UR4超過74LS04的3-4非門門檻電壓，該門翻轉，BG3-4導通，繼電器J2啟動，接通100kΩ電阻的R15和C1，產生中頻振蕩，使可控硅導通角增大，輸出約150V電壓，風扇中速旋轉。

同理，當溫度達到320C以上時，UR6超過3-4非門門檻電壓，該非門翻轉，BG5-6導通，J3啟動，產生最大導通角，可控硅直通，輸出全電壓，風扇高速轉動。

此塊電路通過對不同溫度的采集，轉換為可控硅導通角的調整，使之輸出不同交流電壓值，實現風扇轉速自動控制。反之，當溫度低于250C，各級非門都超不過門檻電壓，故形成自動關閉，達到節能目的。

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關鍵詞：高考試題；核心素養；物理觀念；科學思維；科學探究；學習進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0045-4

在深化基礎教育課程改革和考試招生制度改革的背景下，“核心素養”成為一線教師和命題老師關注的焦點。物理學科的核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任，核心素養的命題立意在2016年高考物理試題中得到了很好的體現，為今后一段時期內的高考內容改革指明了方向[1]。

1 立足經典模型，考查物理觀念

“物理觀念”是指基本知識、基本概念、基本規律和基本方法等在頭腦中的提煉和升華。主要包括運動觀念、物質觀念、相互作用觀念、能量觀念等要素。

例1 （2016江蘇卷第2題）有A、B兩小球，B的質量為A的兩倍。現將它們以相同速率沿同一方向拋出，不計空氣阻力。圖1中①為A的運動軌跡，則B的運動軌跡是（ ）

A.① B.② C.③ D.④

分析 本題從運動觀念立意，利用經典的拋體模型，考查拋體運動觀念。拋體運動的加速度始終為g，與拋體的質量無關。當將A、B兩物體以相同速率沿同一方向拋出時，運動軌跡應該相同。本題如果學生沒有形成正確的拋體運動觀念，很容易想當然地認為重的物體拋得近一些，錯誤地選C選項。

例2 （2016全國I卷第19題）如圖2，一光滑的輕滑輪用細繩OO' 懸掛于O點；另一細繩跨過滑輪，其一端懸掛物塊a，另一端系一位于水平粗糙桌面上的物塊b。外力F向右上方拉b，整系統處于靜止狀態。若F方向不變，大小在一定范圍內變化，物塊b仍始終保持靜止，則（ ）

A.繩OO' 的張力也在一定范圍內變化

B.物塊b所受到的支持力也在一定范圍內變化

C.連接a和b的繩的張力也在一定范圍內變化

D.物塊b與桌面間的摩擦力也在一定范圍內變化

分析 本題從力的相互作用觀念立意。由滑輪性質，滑輪兩側繩的拉力相等，物體a受到繩的拉力等于其重力。物體a、b均保持靜止，則a、b受到繩的拉力大小方向均不變，所以OO' 的張力不變，排除A、C選項，本題是多項選擇題，利用排除法可以得出B、D選項正確。

例3 （2016海南卷第10題）如圖3，一帶正電的點電荷固定于O點，兩虛線圓均以O為圓心，兩實線分別為帶電粒子M和N先后在電場中運動的軌跡，a、b、c、d、e為軌跡和虛線圓的交點。不計重力，下列說法正確的是（ ）

A.M帶負電荷，N帶正電荷

B.M在b點的動能小于它在a點的動能

C.N在d點的電勢能等于它在e點的電勢能

D.N在從c點運動到d點的過程中克服電場力做功

分析 本題從能量觀念立意，以點電荷電場和帶電粒子在電場中的運動這一經典模型為背景，考查電場力做功和動能、電勢能的變化關系，是一道以能量觀念立意的試題。電場能量的基本觀念是：在同一等勢面上，電場力不做功；電場力做正功，動能增加，電勢能減少；反之，電場力做負功，動能減少，電勢能增加。

啟示 通過以上三道試題的分析說明，高考試題旨在倡導通過高中階段的教學，尋找最佳的教學序列并精心設計教學，培養學生四大物理觀念，即運動觀念、物質觀念、相互作用觀念和能量觀念等；促進物理觀念的不斷進階，并能用這些觀念解決實際生活中的一些問題或應用這些觀念來描述自然界的圖景。

2 創設意義情景，考查科學思維

“科學思維”是指物理學的認識方式和科學方法的內化，主要包括物理模型的建構、科學思維的推理和論證等相關要素。

例4 （2016全國I卷第17題）利用三顆位置適當的地球同步衛星，可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊。目前地球同步衛星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍。假設地球的自轉周期變小，若仍僅用三顆同步衛星來實現上述目的，則地球自轉周期的最小值約為（ ）

A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h

分析 本題基于一種科學假設的情況下，以科學思維立意，考查考生的科學思維過程。這包括：

（1）模型建構。地球自轉周期變小，衛星要與地球保持同步，則衛星的公轉周期怎么變化？

（2）科學思維推理。從定性思維角度分析，在衛星離地球的高度變小的情況下，要實現三顆衛星覆蓋全球的目的，三顆衛星的位置應該怎樣分布？

（3）科學思維論證。在科學推理的基礎上，作出幾何關系圖，定量思維求出最小軌道半徑，計算出最小周期。

例5 （2016江蘇卷第9題）如圖4所示，一只貓在桌邊猛地將桌布從魚缸下拉出，魚缸最終沒有滑出桌面。若魚缸、桌布、桌面兩兩之間的動摩擦因數均相等，則在上述過程中（ ）

A.桌布對魚缸摩擦力的方向向左

B.魚缸在桌布上的滑動時間和在桌面上的相等

C.若貓增大拉力，魚缸受到的摩擦力將增大

D.若貓減小拉力，魚缸有可能滑出桌面

分析 以貓拉桌布為情境，建構木板木塊模型，以科學思維立意，考查考生的科學思維過程。

（1）模型建構。魚缸在桌布上和在桌面上的受力與運動模型。

（2）科學思維推理。因為魚缸、桌布、桌面兩兩之間的動摩擦因數均相等，魚缸受到桌布向右的摩擦力與它受到桌面向左的摩擦力大小相等，所以魚缸向右加速的加速度大小與向右減速的加速度大小相等，方向相反。魚缸的初速度為零，末速度也為零，根據對稱性可知，魚缸做加速運動的時間與做減速運動的時間相等。

（3）科學思維論證。定性思維，若貓減小拉力，桌布的加速度減小，魚缸在桌布上的運動時間變長，而魚缸向右的加速度不變，由x=at2/2知，魚缸相對于桌面的位移變大，桌布被拉出后魚缸在桌面上的位移也變大，魚缸就有可能滑出桌面。

啟示 從以上兩道試題分析看出，試題通過意義情境（科學假設或聯系實際），考查科學思維，啟示在今后的高中教學中，應培養學生模型建構的意識和能力；培養學生運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理和論證的關鍵能力。核心素養的形成不是一蹴而就的，需要在教育教學過程中慢慢形成[2]。

3 基于事實證據，考查科學探究和科學態度與責任

“科學探究”是指基于證據的猜想和假設，獲取證據信息和處理信息，并對實驗探究過程和結果進行分析和評估?！翱茖W態度與責任”是指對待科學的正確態度和責任感，主要包括“科學本質，科學態度，科學?技術?社會?環境關系（簡稱STSE）”等要素。

例6 （2016全國I卷23題） 現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統報警。提供的器材有：熱敏電阻，報警器（內阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警），電阻箱（最大阻值為999.9 Ω），直流電源（輸出電壓為U，內阻不計），滑動變阻器R1（最大阻值為1000 Ω），滑動變阻器R2（最大阻值為2000 Ω），單刀雙擲開關一個，導線若干。

在室溫下對系統進行調節。已知U約為18 V，Ic約為10 mA。流過報警器的流超過20 mA時，報警器可能損壞。該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω。

（1）在答題卡上完成待調節的報警系統原理電路圖（圖5）的連線。

（2）電路中應選用滑動變阻器_____________（填“R1”或“R2”）。

（3）按照下列步驟調節此報警系統：

①電路接通前，需將電阻箱調到一固定的阻值，根據實驗要求，這一阻值為______Ω；滑動變阻器的滑片應置于_______（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是 。

②將開關向_______（填“c”或“d”）端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至 。

（4）保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關向另一端閉合，報警系統即可正常使用。

分析 本題將熱敏電阻與報警器聯系起來創設新的情境，探索報警系統的實驗原理、提出新的操作步驟和思路。

（1）基于證據的猜想和假設

現要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統，要求當熱敏電阻的溫度達到或超過60 ℃時，系統報警。由圖5可知，若把電阻箱作為模擬的熱敏電阻，利用等效替代實驗思想，即電阻箱和熱敏電阻并聯連接探究報警系統的原理，也是基于科學的態度和責任，防止貿然接入電路，損壞報警器。

（2）獲取證據信息和處理信息

證據信息：已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞。

處理信息：根據歐姆定律R=U/I，當U=18 V，通過報警器的電流10 mA≤Ic≤20 mA，故電路中總電阻： 900 Ω≤R≤1800 Ω。題中說明熱敏電阻在60 ℃時阻值為650.0 Ω，則串聯在電路中的電阻箱應選R2。

（3）探究過程與結果的分析和評估

為防止通過報警器的電流過大，燒壞報警器，因此在連接電路時，滑動變阻器應滑至最大值，即滑動變阻器的滑片置于b端。同時先接通模擬熱敏電阻，即開關向c端靠攏，然后緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至報警器開始報警，這也體現了對科學探究的正確態度和責任感。

啟示 從以上試題分析可以看出，基于事實證據的過程性評價，診斷學生的學習情況和學習困惑，能夠促進教與學行為的改進，從而促進學生的發展。在高中教學中要注重培養學生基于證據的科學探究意識，科學探究的態度與責任，能在學習和日常生活中發現問題、提出合理猜測與假設；使用各種方式、方法收集信息和處理信息，并能正確實施探究過程和對結果進行分析和評估。

物理核心素養的培養離不開學生的學習實踐，物理教學應以貫穿物理核心素養的養成為主線，以學生的學習實踐為依托，以評價改革推力成為深化改革的動力源[3]。

參考文獻：

[1]程力.增強基礎性和綜合性 深化高考物理內容改革[J].物理教師，2016，37（5）：74-77.