劉昌鳴

漫話“炭粒式電話”的教學

炭粒式電話的話筒工作原理比較抽象，教學中除用教具模擬外，還嘗試用變阻器的電路替代并解釋。教材習題設(shè)計的插圖和教參中的解釋與教材知識有諸多矛盾的地方。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，使問題逐個圓滿解決。

1問題的背景

2013年教育部審定的義務教育教科書9年級《物理》全一冊（以下簡稱教科書），是根據(jù)國家教育部2011年制定的義務教育階段《物理課程標準》新修訂的教材。書中有這樣一段文字：“老式電話的話筒中有一個裝著炭粒的小盒子。當你對著話筒講話時，由于聲音的振動，膜片時緊時松地壓迫炭粒，它們的電阻隨之改變，流過炭粒的電流就會相應改變，于是形成了隨聲音變化的電流信號?！彪娫掚娐分械碾娏鞲苛ｋ娮枳兓木唧w關(guān)系，教科書中并未明示。而教科書中P149“動手動腦學物理”第1題便是根據(jù)此段文字而設(shè)計：“將炭粒電話的話筒簡化為一個滑動變阻器，如圖1所示。膜片振動把炭粒壓緊和放松時，相當于圖中膜片帶動滑動頭左右移動，使滑動變阻器的電阻發(fā)生變化，引起電路中的電流發(fā)生相應的變化。請具體分析當話筒膜片由靜止向左、向右運動時，聽筒中原來靜止的膜片會怎樣運動？”

炭粒式電話的話筒工作原理比較抽象，教學中除用教具模擬外，還嘗試用變阻器的電路替代并解釋。教材習題設(shè)計的插圖和教參中的解釋與教材知識有諸多矛盾的地方。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，使問題逐個圓滿解決。

1問題的背景

2013年教育部審定的義務教育教科書9年級《物理》全一冊（以下簡稱教科書），是根據(jù)國家教育部2011年制定的義務教育階段《物理課程標準》新修訂的教材。書中有這樣一段文字：“老式電話的話筒中有一個裝著炭粒的小盒子。當你對著話筒講話時，由于聲音的振動，膜片時緊時松地壓迫炭粒，它們的電阻隨之改變，流過炭粒的電流就會相應改變，于是形成了隨聲音變化的電流信號?！彪娫掚娐分械碾娏鞲苛ｋ娮枳兓木唧w關(guān)系，教科書中并未明示。而教科書中P149“動手動腦學物理”第1題便是根據(jù)此段文字而設(shè)計：“將炭粒電話的話筒簡化為一個滑動變阻器，如圖1所示。膜片振動把炭粒壓緊和放松時，相當于圖中膜片帶動滑動頭左右移動，使滑動變阻器的電阻發(fā)生變化，引起電路中的電流發(fā)生相應的變化。請具體分析當話筒膜片由靜止向左、向右運動時，聽筒中原來靜止的膜片會怎樣運動？”

新修訂的義務教育教科書的教師用書9年級《物理》全一冊（以下簡稱教參）給出該題的參考答案及提示為：當話筒膜片由靜止向左運動時，膜片振動把炭粒壓緊，相當于圖1中膜片帶動滑動頭向左移動，使滑動變阻器的電阻變大，引起電路中的電流變小，聽筒中的電磁鐵磁性就減弱，對旁邊的鐵質(zhì)膜片的引力也隨之減小，所以聽筒中原來靜止的膜片會向右運動；反之，話筒膜片由靜止向右運動時，聽筒中原來靜止的膜片會向左運動。

2提出問題

教科書的這種設(shè)計是否合理？教參的這種解釋初看起來覺得合理，但對比教科書和教參中的其他地方的說法就發(fā)現(xiàn)有矛盾的地方。

3筆者的質(zhì)疑

教參中《電話機的工作原理》一章中電話機的工作原理圖，如圖2所示。

話筒的工作原理為：聲波振動振動膜相應振動炭粒忽松忽緊電阻忽大忽小電流忽弱忽強。

聽筒的工作原理為：電流忽弱忽強磁性忽強忽弱振動膜受忽小忽大的磁力而振動還原成聲音。

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

教參中習題的參考答案：若電路中的電流變小，聽筒中的電磁鐵磁性就減弱，對旁邊的鐵質(zhì)膜片的引力也隨之減小，所以聽筒中原來靜止的膜片會向右運動。事實上，炭粒電話的教具和掛圖，都是在電路中的電流增大時，線圈的磁場增強，鐵質(zhì)膜片受到的引力也隨之增強要向左運動才行，這是矛盾之二。

教科書中關(guān)于模擬信號的定義為：信號電流的頻率、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”著聲音信號的“一舉一動”。教科書習題中的上述設(shè)計與此相悖，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)計與解釋有悖？教學中師生自然會遇到這個實際問題，筆者根據(jù)多年的教學實際，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。這樣既符合教科書中事實，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)一個保護電阻，不造成電路的短路，理論上也可以合理解釋。

5實驗的驗證

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，當聲波振動引起膜片振動，炭粒被壓緊或放松時，相當于導體的長度發(fā)生變化（導體的材料一定，橫截面積沒有變）。具體地說，炭粒被壓緊時，相當于導體的長度變短，電阻變小，反之，炭粒被放松時，電阻變大。

對應圖3中，炭粒被壓緊時相當于滑片向左移動，導體的長度變短，電阻變小，電路中的電流變大。變大的電流流入聽筒的螺線管，磁性增強，吸引鐵膜片的力增強，原來靜止的鐵膜向左運動。反之，炭粒被放松時，鐵膜向右運動。

總之，對著話筒說話聲音的響度大，電路中的電流變大，聽筒中螺線管對鐵膜的吸引力大，還原出的聲音的響度大，這就正相關(guān)了，也符合模擬信號的實際。

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

最后，教科書和教參中都把炭粒式電話的聽筒里的結(jié)構(gòu)定義為“電磁鐵”，筆者覺得不妥，因為教科書中明確交代了“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。