漫話“炭粒式電話”的教學(xué)

劉昌鳴

漫話“炭粒式電話”的教學(xué)

炭粒式電話的話筒工作原理比較抽象，教學(xué)中除用教具模擬外，還嘗試用變阻器的電路替代并解釋。教材習(xí)題設(shè)計(jì)的插圖和教參中的解釋與教材知識(shí)有諸多矛盾的地方。本文逐一剖析，提出用改變電路結(jié)構(gòu)的方法分析電路中電流的變化，使問(wèn)題逐個(gè)圓滿解決。

1問(wèn)題的背景

2013年教育部審定的義務(wù)教育教科書(shū)9年級(jí)《物理》全一冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱教科書(shū)），是根據(jù)國(guó)家教育部2011年制定的義務(wù)教育階段《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》新修訂的教材。書(shū)中有這樣一段文字：“老式電話的話筒中有一個(gè)裝著炭粒的小盒子。當(dāng)你對(duì)著話筒講話時(shí)，由于聲音的振動(dòng)，膜片時(shí)緊時(shí)松地壓迫炭粒，它們的電阻隨之改變，流過(guò)炭粒的電流就會(huì)相應(yīng)改變，于是形成了隨聲音變化的電流信號(hào)?！彪娫掚娐分械碾娏鞲苛ｋ娮枳兓木唧w關(guān)系，教科書(shū)中并未明示。而教科書(shū)中P149“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”第1題便是根據(jù)此段文字而設(shè)計(jì)：“將炭粒電話的話筒簡(jiǎn)化為一個(gè)滑動(dòng)變阻器，如圖1所示。膜片振動(dòng)把炭粒壓緊和放松時(shí)，相當(dāng)于圖中膜片帶動(dòng)滑動(dòng)頭左右移動(dòng)，使滑動(dòng)變阻器的電阻發(fā)生變化，引起電路中的電流發(fā)生相應(yīng)的變化。請(qǐng)具體分析當(dāng)話筒膜片由靜止向左、向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，聽(tīng)筒中原來(lái)靜止的膜片會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？”

炭粒式電話的話筒工作原理比較抽象，教學(xué)中除用教具模擬外，還嘗試用變阻器的電路替代并解釋。教材習(xí)題設(shè)計(jì)的插圖和教參中的解釋與教材知識(shí)有諸多矛盾的地方。本文逐一剖析，提出用改變電路結(jié)構(gòu)的方法分析電路中電流的變化，使問(wèn)題逐個(gè)圓滿解決。

1問(wèn)題的背景

2013年教育部審定的義務(wù)教育教科書(shū)9年級(jí)《物理》全一冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱教科書(shū)），是根據(jù)國(guó)家教育部2011年制定的義務(wù)教育階段《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》新修訂的教材。書(shū)中有這樣一段文字：“老式電話的話筒中有一個(gè)裝著炭粒的小盒子。當(dāng)你對(duì)著話筒講話時(shí)，由于聲音的振動(dòng)，膜片時(shí)緊時(shí)松地壓迫炭粒，它們的電阻隨之改變，流過(guò)炭粒的電流就會(huì)相應(yīng)改變，于是形成了隨聲音變化的電流信號(hào)?！彪娫掚娐分械碾娏鞲苛ｋ娮枳兓木唧w關(guān)系，教科書(shū)中并未明示。而教科書(shū)中P149“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”第1題便是根據(jù)此段文字而設(shè)計(jì)：“將炭粒電話的話筒簡(jiǎn)化為一個(gè)滑動(dòng)變阻器，如圖1所示。膜片振動(dòng)把炭粒壓緊和放松時(shí)，相當(dāng)于圖中膜片帶動(dòng)滑動(dòng)頭左右移動(dòng)，使滑動(dòng)變阻器的電阻發(fā)生變化，引起電路中的電流發(fā)生相應(yīng)的變化。請(qǐng)具體分析當(dāng)話筒膜片由靜止向左、向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，聽(tīng)筒中原來(lái)靜止的膜片會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？”

新修訂的義務(wù)教育教科書(shū)的教師用書(shū)9年級(jí)《物理》全一冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱教參）給出該題的參考答案及提示為：當(dāng)話筒膜片由靜止向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，膜片振動(dòng)把炭粒壓緊，相當(dāng)于圖1中膜片帶動(dòng)滑動(dòng)頭向左移動(dòng)，使滑動(dòng)變阻器的電阻變大，引起電路中的電流變小，聽(tīng)筒中的電磁鐵磁性就減弱，對(duì)旁邊的鐵質(zhì)膜片的引力也隨之減小，所以聽(tīng)筒中原來(lái)靜止的膜片會(huì)向右運(yùn)動(dòng)；反之，話筒膜片由靜止向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，聽(tīng)筒中原來(lái)靜止的膜片會(huì)向左運(yùn)動(dòng)。

2提出問(wèn)題

教科書(shū)的這種設(shè)計(jì)是否合理？教參的這種解釋初看起來(lái)覺(jué)得合理，但對(duì)比教科書(shū)和教參中的其他地方的說(shuō)法就發(fā)現(xiàn)有矛盾的地方。

3筆者的質(zhì)疑

教參中《電話機(jī)的工作原理》一章中電話機(jī)的工作原理圖，如圖2所示。

話筒的工作原理為：聲波振動(dòng)振動(dòng)膜相應(yīng)振動(dòng)炭粒忽松忽緊電阻忽大忽小電流忽弱忽強(qiáng)。

聽(tīng)筒的工作原理為：電流忽弱忽強(qiáng)磁性忽強(qiáng)忽弱振動(dòng)膜受忽小忽大的磁力而振動(dòng)還原成聲音。

顯然，教科書(shū)中習(xí)題設(shè)計(jì)者的意圖和教參的參考答案都與《電話機(jī)的工作原理》中話筒的工作原理相反，這只是矛盾之一。

教參中習(xí)題的參考答案：若電路中的電流變小，聽(tīng)筒中的電磁鐵磁性就減弱，對(duì)旁邊的鐵質(zhì)膜片的引力也隨之減小，所以聽(tīng)筒中原來(lái)靜止的膜片會(huì)向右運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，炭粒電話的教具和掛圖，都是在電路中的電流增大時(shí)，線圈的磁場(chǎng)增強(qiáng)，鐵質(zhì)膜片受到的引力也隨之增強(qiáng)要向左運(yùn)動(dòng)才行，這是矛盾之二。

教科書(shū)中關(guān)于模擬信號(hào)的定義為：信號(hào)電流的頻率、振幅變化的情況跟聲音的頻率、振幅變化的情況完全一樣，“模仿”著聲音信號(hào)的“一舉一動(dòng)”。教科書(shū)習(xí)題中的上述設(shè)計(jì)與此相悖，這是矛盾之三。

4解決的辦法

是筆者的理解有誤，還是上述設(shè)計(jì)與解釋有悖？教學(xué)中師生自然會(huì)遇到這個(gè)實(shí)際問(wèn)題，筆者根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)際，建議改變一下電路更好。

首先，將話筒原理圖（圖1）改為如圖3所示的原理圖。這樣既符合教科書(shū)中事實(shí)，即電路中的電流隨電阻的改變而變化，且聲音的響度越大，相當(dāng)于電路中的電阻越小，電路中的電流就越大，反之亦然，又不造成上述的矛盾。

其次，電路中串聯(lián)一個(gè)保護(hù)電阻，不造成電路的短路，理論上也可以合理解釋。

5實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

圖2中明確顯示炭精盤前后的電極（金屬柱和膜片）接入電路，當(dāng)聲波振動(dòng)引起膜片振動(dòng)，炭粒被壓緊或放松時(shí)，相當(dāng)于導(dǎo)體的長(zhǎng)度發(fā)生變化（導(dǎo)體的材料一定，橫截面積沒(méi)有變）。具體地說(shuō)，炭粒被壓緊時(shí)，相當(dāng)于導(dǎo)體的長(zhǎng)度變短，電阻變小，反之，炭粒被放松時(shí)，電阻變大。

對(duì)應(yīng)圖3中，炭粒被壓緊時(shí)相當(dāng)于滑片向左移動(dòng)，導(dǎo)體的長(zhǎng)度變短，電阻變小，電路中的電流變大。變大的電流流入聽(tīng)筒的螺線管，磁性增強(qiáng)，吸引鐵膜片的力增強(qiáng)，原來(lái)靜止的鐵膜向左運(yùn)動(dòng)。反之，炭粒被放松時(shí)，鐵膜向右運(yùn)動(dòng)。

總之，對(duì)著話筒說(shuō)話聲音的響度大，電路中的電流變大，聽(tīng)筒中螺線管對(duì)鐵膜的吸引力大，還原出的聲音的響度大，這就正相關(guān)了，也符合模擬信號(hào)的實(shí)際。

這里，特別強(qiáng)調(diào)聽(tīng)筒里的永磁體的主要作用是適度控制鐵膜片的過(guò)分振動(dòng)，防止聲音的失真。

最后，教科書(shū)和教參中都把炭粒式電話的聽(tīng)筒里的結(jié)構(gòu)定義為“電磁鐵”，筆者覺(jué)得不妥，因?yàn)榻炭茣?shū)中明確交代了“電磁鐵”是內(nèi)部帶鐵芯的螺線管，所以，還是叫“電磁體”比較妥。