漫话“炭粒式电话”的教学

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炭粒式电话的话筒工作原理比较抽象，教学中除用教具模拟外，还尝试用变阻器的电路替代并解释。教材习题设计的插图和教参中的解释与教材知识有诸多矛盾的地方。本文逐一剖析，提出用改变电路结构的方法分析电路中电流的变化，使问题逐个圆满解决。

1问题的背景

2022年教育部审定的义务教育教科书9年级《物理》全一册（以下简称教科书），是根据国家教育部2022年制定的义务教育阶段《物理课程标准》新修订的教材。书中有这样一段文字：“老式电话的话筒中有一个装着炭粒的小盒子。当你对着话筒讲话时，由于声音的振动，膜片时紧时松地压迫炭粒，它们的电阻随之改变，流过炭粒的电流就会相应改变，于是形成了随声音变化的电流信号。”电话电路中的电流跟炭粒电阻变化的具体关系，教科书中并未明示。而教科书中P149“动手动脑学物理”第1题便是根据此段文字而设计：“将炭粒电话的话筒简化为一个滑动变阻器，如图1所示。膜片振动把炭粒压紧和放松时，相当于图中膜片带动滑动头左右移动，使滑动变阻器的电阻发生变化，引起电路中的电流发生相应的变化。请具体分析当话筒膜片由静止向左、向右运动时，听筒中原来静止的膜片会怎样运动？”

炭粒式电话的话筒工作原理比较抽象，教学中除用教具模拟外，还尝试用变阻器的电路替代并解释。教材习题设计的插图和教参中的解释与教材知识有诸多矛盾的地方。本文逐一剖析，提出用改变电路结构的方法分析电路中电流的变化，使问题逐个圆满解决。

1问题的背景

2022年教育部审定的义务教育教科书9年级《物理》全一册（以下简称教科书），是根据国家教育部2022年制定的义务教育阶段《物理课程标准》新修订的教材。书中有这样一段文字：“老式电话的话筒中有一个装着炭粒的小盒子。当你对着话筒讲话时，由于声音的振动，膜片时紧时松地压迫炭粒，它们的电阻随之改变，流过炭粒的电流就会相应改变，于是形成了随声音变化的电流信号。”电话电路中的电流跟炭粒电阻变化的具体关系，教科书中并未明示。而教科书中P149“动手动脑学物理”第1题便是根据此段文字而设计：“将炭粒电话的话筒简化为一个滑动变阻器，如图1所示。膜片振动把炭粒压紧和放松时，相当于图中膜片带动滑动头左右移动，使滑动变阻器的电阻发生变化，引起电路中的电流发生相应的变化。请具体分析当话筒膜片由静止向左、向右运动时，听筒中原来静止的膜片会怎样运动？”

新修订的义务教育教科书的教师用书9年级《物理》全一册（以下简称教参）给出该题的参考答案及提示为：当话筒膜片由静止向左运动时，膜片振动把炭粒压紧，相当于图1中膜片带动滑动头向左移动，使滑动变阻器的电阻变大，引起电路中的电流变小，听筒中的电磁铁磁性就减弱，对旁边的铁质膜片的引力也随之减小，所以听筒中原来静止的膜片会向右运动；反之，话筒膜片由静止向右运动时，听筒中原来静止的膜片会向左运动。

2提出问题

教科书的这种设计是否合理？教参的这种解释初看起来觉得合理，但对比教科书和教参中的其他地方的说法就发现有矛盾的地方。

3笔者的质疑

教参中《电话机的工作原理》一章中电话机的工作原理图，如图2所示。

话筒的工作原理为：声波振动振动膜相应振动炭粒忽松忽紧电阻忽大忽小电流忽弱忽强。

听筒的工作原理为：电流忽弱忽强磁性忽强忽弱振动膜受忽小忽大的磁力而振动还原成声音。

显然，教科书中习题设计者的意图和教参的参考答案都与《电话机的工作原理》中话筒的工作原理相反，这只是矛盾之一。

教参中习题的参考答案：若电路中的电流变小，听筒中的电磁铁磁性就减弱，对旁边的铁质膜片的引力也随之减小，所以听筒中原来静止的膜片会向右运动。事实上，炭粒电话的教具和挂图，都是在电路中的电流增大时，线圈的磁场增强，铁质膜片受到的引力也随之增强要向左运动才行，这是矛盾之二。

教科书中关于模拟信号的定义为：信号电流的频率、振幅变化的情况跟声音的频率、振幅变化的情况完全一样，“模仿”着声音信号的“一举一动”。教科书习题中的上述设计与此相悖，这是矛盾之三。

4解决的办法

是笔者的理解有误，还是上述设计与解释有悖？教学中师生自然会遇到这个实际问题，笔者根据多年的教学实际，建议改变一下电路更好。

首先，将话筒原理图（图1）改为如图3所示的原理图。这样既符合教科书中事实，即电路中的电流随电阻的改变而变化，且声音的响度越大，相当于电路中的电阻越小，电路中的电流就越大，反之亦然，又不造成上述的矛盾。

其次，电路中串联一个保护电阻，不造成电路的短路，理论上也可以合理解释。

5实验的验证

图2中明确显示炭精盘前后的电极（金属柱和膜片）接入电路，当声波振动引起膜片振动，炭粒被压紧或放松时，相当于导体的长度发生变化（导体的材料一定，横截面积没有变）。具体地说，炭粒被压紧时，相当于导体的长度变短，电阻变小，反之，炭粒被放松时，电阻变大。

对应图3中，炭粒被压紧时相当于滑片向左移动，导体的长度变短，电阻变小，电路中的电流变大。变大的电流流入听筒的螺线管，磁性增强，吸引铁膜片的力增强，原来静止的铁膜向左运动。反之，炭粒被放松时，铁膜向右运动。

总之，对着话筒说话声音的响度大，电路中的电流变大，听筒中螺线管对铁膜的吸引力大，还原出的声音的响度大，这就正相关了，也符合模拟信号的实际。

这里，特别强调听筒