《电流的磁场和电动机为什么会转动》教学设计及检测.docx

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《电流的磁场和电动机为什么会转动》教学设计及检测

沪科版九年级《电流的磁场和电动机为什么会转动》教学设计及检测

一.基本要求：

1.通过对日常生活、工业生产中的电器设备的观察，知道电与磁有密切的联系。

2.知道电流周围存在磁场。

3.通过探究实验，知道通电螺线管对外相当于一条形磁铁。

4.会用右手螺旋定则确定通电螺线管的磁极或螺线管上的电流方向。

5.在认识通电螺线管特性的基础上了解电磁铁的构造。

6.通过实验探究，体验科学研究的基本方法，知道电动机转动原理。

7.学会安装和制作简单的电动机。

重点内容：

通电螺线管的磁场和电动机转动的原理。

难点内容：

右手螺旋定则和电动机是如何转动的。

（一）电流的磁场

1.奥斯特实验

　　当把小磁针放在条形磁体的周围时，观察到小磁针发生偏转。

因为磁体周围存在着磁场，小磁针受到磁场的磁力作用而发生偏转。

小磁针只有放在磁体周围才会受到磁力作用而发生偏转吗？

或者说，只有磁体周围存在着磁场吗？

其他物质能不能产生磁场呢？

我们先来看下面的实验。

如图所示，将一小磁针放于水平桌面上，当其静止后（一端指南，一端指北），此时拿一根连入电路中的导线平行放于小磁针的上方。

这时我们会发现：

（1）导线通电时磁针发生偏转。

（2）切断电流时，磁针又回到原位。

通电后导体周围的小磁针发生偏转，说明通电后导体周围的空间对小磁针产生磁力的作用，由此我们可以得出：

通电导线和磁体一样，周围也存在着磁场。

　　以上实验是丹麦的科学家奥斯特首先发现的，此实验又叫做奥斯特实验。

这个实验表明，除了磁体周围存在着磁场外，电流的周围也存在着磁场，即电流的磁场，接下来我们就主要研究电流的磁场。

（1）实验表明：

通电导线和磁体一样，周围存在着磁场。

　　我们知道，磁场是有方向的，那么电流周围的磁场方向是怎样的呢？

它与电流的方向有没有关系呢？

重做上面的实验，当电流的方向改变时，发现小磁针N极偏转方向也发生变化，说明电流的磁场方向也发生变化。

（2）电流的磁场方向跟电流的方向有关。

当电流的方向变化时，磁场的方向也发生变化。

奥斯特实验在我们现在看来是非常简单的，但在当时这一重大发现却轰动了科学界，这是为什么呢？

因为它揭示了电现象和磁现象不是各自孤立的，而是紧密联系的，从而说明表面上互不相关的自然现象之间是相互联系的，这一发现，有力地推动了电磁学的研究和发展。

如下图所示，就是通电直导线周围的磁场。

我们发现它是一组以导线为圆心的同心圆。

　2.研究通电螺线管周围的磁场

　　奥斯特实验用的是一根直导线，后来科学家们又把导线弯成各种形状，通电后研究电流的磁场，其中有一种在后来的生产实际中用途最大，那就是将导线弯成螺线管再通电。

那么，通电螺线管的磁场是什么样的呢？

我们可以做下面的实验：

如下图所示，在纸板上均匀地撒些铁屑，给螺线管通电，（周围的铁屑会被磁化，但由于其与纸板的摩擦力太大，它不能自己转动。

）轻敲纸板，观察铁屑的分布情况，并与条形磁体周围的铁屑分布情况对比。

　　我们会发现，通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样。

　　将小磁针放在螺线管的两端，通电后，观察小磁针的N极指向，从而判别出通电螺线管的N、S极。

　　再改变电流的方向，观察小磁针的N极指向发生了变化，从而说明通电螺线管的极性与电流的方向有关。

　　所以说：

通电螺线管两端的极性跟螺线管中电流的方向有关。

当电流的方向变化时，通电螺线管的磁性也发生改变。

采用什么办法可以很简便地判定通电螺线管的磁性与电流方向的关系呢？

我们常用安培定则（右手螺旋定则）来判断。

　　螺线管的轴线取东西向放置，使磁针静止于南北方向（如图）。

然后通电，由磁针N极的偏转方向来判定通电线圈端部的极性。

　　判定方法：

用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极。

　　练习：

如附图所示的几个通电螺线管，用安培定则判定它们的两极。

　　开始时，我们还不太熟练，可以将导线在铅笔上绕成螺线管，先弄清螺线管中电流的指向，再用安培定则判定出两端的极性。

　　通过以上练习，我们会发现，螺线管的绕制方向不同，螺线管中电流的方向也不同。

3.电磁铁

（1）什么是电磁铁

　　给螺线管通电，它的周围就会产生磁场。

如果要使通电螺线管的磁性增强，应该怎么办呢？

我们来看下面的实验：

先将小磁针放在螺线管的两端，通电后观察小磁针偏转的程度，再将铁棒插入螺线管，通电后观察小磁针偏转的程度。

　　我们会看到当插入铁棒后，小磁针的偏转程度增大，这表明插入铁棒后通电螺线管周围的磁性大大增强。

为什么插入铁棒后，通电螺线管的磁性会增强呢？

原来铁芯插入通电螺线管，铁芯被磁化，也要产生磁场，于是通电螺线管的周围既有电流产生的磁场，又有磁铁产生的磁场，因而磁场大大增强了。

　　从上面的实验中可以看出，铁芯插入螺线管，通电后能获得较强的磁场。

我们把插入铁芯的通电螺线管称为电磁铁。

下面我们就来研究电磁铁。

（2）探究实验：

电磁铁的特点

　　我们知道，电磁铁的磁性是由螺线管通入电流后获得的，由此，我们可以进行猜想：

它的磁性与电流的大小有关；螺线管是由导线绕制成的，它的磁性强弱与线圈的匝数有关。

下面我们就从这几个方面来进行实验探索。

　　怎样设计电路？

当然要将电源、开关、滑动变阻器、电流表与电磁铁连成串联电路。

怎样来判断电磁铁的磁性强弱呢？

我们可以让电磁铁来吸引大头针，通过观察电磁铁吸引大头针的多少来判断。

　　①将开关合上或打开，观察通电、断电时，电磁铁对大头针的吸引情况，判断电磁铁磁性的有无。

　　②将开关合上，调节滑动变阻器，使电流增大和减小（观察电流表指针的示数），从电磁铁吸引大头针的情况对比电磁铁磁性强弱的变化。

　　③将开关合上，使电路中的电流不变（电流表的示数不变）改变电磁铁的接线，增加通电线圈的匝数，观察电磁铁磁性强弱的变化。

实验表明：

　　①电磁铁通电时有磁性，断电时没有磁性。

　　②通过电磁铁的电流越大，它的磁性越强。

　　③在电流一定时，外形相同的螺线管，线圈匝数越多，磁性越强。

（3）电磁铁的优点

　　通过实验，我们知道了电磁铁的一些特点，它的这些特点与永磁体相比，有哪些优点呢？

①磁性的有无可以通过通断电来控制；

②磁体的南北极可以通过改变电流方向来更换；

③磁性强弱可以通过调节电流的大小或线圈匝数的多少来调节。

（4）介绍电磁铁的应用

　　①电磁起重机

　　常用的电磁起重机：

一种是圆柱形电磁铁，一种是蹄形电磁铁。

蹄形电磁铁的两个异性极在同一端面上，能同时吸住一块铁，因而磁性更强。

②电铃

当接通电源瞬间，从电源到电磁铁、触点、簧片再到电源构成回路，此时电磁铁有磁性，吸引簧片离开触点，电路被断开，这时电磁铁磁性消失。

在簧片的弹性作用下，簧片回到原位，电路又被接通，电磁铁又有了磁性……，簧片往复运动，“电铃”就响个不停。

③电话

A.电话的基本结构和基本原理

　　基本结构：

话筒、听筒。

　　基本原理：

振动→变化的电流→振动。

B.话筒的组成和工作原理

　　话筒的组成：

金属盒、碳粒、碳精薄片。

　　话筒工作原理：

说话引起话筒的金属盒内碳粒忽松忽紧——电话中电阻忽大忽小——电路中电流忽强忽弱。

C.听筒的组成和工作原理

　　听筒的组成：

永磁铁、螺线管、簿铁片。

　　听筒工作原理：

强弱按声音变化的电流——听筒内电磁铁的磁性忽强忽弱——薄铁片受到的磁力忽大忽小——引起薄铁片的振动而发出和发话人相同的声音。

④电磁继电器

人直接操作高压电路的开关是很危险的，如果能够在低压下操作高压电路，就能避免高压的危险。

利用电磁铁制成的电磁继电器，可以完成这一任务。

　　A.电磁继电器的结构

B.电磁继电器的工作原理

　　在使用电磁继电器时，有两个电路，一个是控制电路，一个是工作电路。

控制电路的组成是电磁铁、低压电源、开关。

工作电路的组成是高压电源、电动机、电磁继电器的触点部分。

电磁铁通电时，把衔铁吸下来，使动触点D和静触点接触，工作电路闭合。

电磁铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路。

因此，电磁继电器实质就是利用电磁铁控制工作电路通断的开关。

　　C.电磁继电器的连接使用

　　D.电磁继电器的应用

　　①工作电路是有危险的高压电路，通过电磁继电器可利用低压控制高压。

②工作场所温度高或环境不好，可以利用电磁继电器实现远距离操作。

③实现自动控制。

（二）磁场对电流的作用

1.通电导体在磁场里受到力的作用

我们可以做这样的实验，如图所示，把一根直导体AB放在蹄形磁体的磁场里，并与电源、开关、滑动变阻器组成一闭合电路。

（1）合上开关，接通电路，导体AB中产生由A向B流动的电流，这时导体AB向左运动起来。

（2）将电源上的正、负极接线对换，合上开关，导体AB中产生由B向A流动的电流，这时导体AB向右运动起来。

　　（3）将蹄形磁体的磁极上下翻转，导体AB的运动方向也发生变化。

通过上面的实验我们可以得出这样的结论：

①通电导体在磁场里受到力的作用。

　　②通电导体在磁场里受力的方向，跟电流方向和磁场方向有关。

2.磁场对通电线圈的作用

　　如图所示，在图甲中，通电线圈的ab边和cd边在磁场里受到力的作用，因两边中电流方向相反，所以两力方向相反且不在同一条直线上，所以线圈就转动起来。

当转到图乙所示位置时，这两个力恰好在同一直线上，而且大小相等，方向相反，线圈保持平衡。

我们把这个位置叫做平衡位置。

通过这个实验我们发现，通电的线圈在磁场中要受力而转动。

3.直流电动机

电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。

下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。

　　很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。

怎样解决这个问题呢？

在前面的实验中，我们知道：

当线圈转到平衡位置时，不是立即停下来，而是在平衡位置附近摆动几下才停下来。

这是因为线圈转到平衡位置时具有一定速度，由于惯性它会继续向前转动，但由于这时受到的磁场力又会使它返回平衡位置，所以它要摆动几下，最后在摩擦的作用下逐渐停下来。

要想让线圈在磁场中不断的转动下去，我们就要想办法在线圈刚刚转过平衡位置时，就改变线圈中两条边的受力方向。

好在有线圈的惯性存在。

要是在线圈正好在平衡位置就改变线圈的受力方向还不行呢，因为这时候两个力又是一对平衡力，所以整个线圈仍然不能转动下去。

如何实现这一想法呢？

　　我们知道影响通电导体受力方向的两个因素，从而得出：

应该在线圈刚刚转过平衡位置时改变电流方向，或者改变磁感线方向。

而要改变磁感线方向就是要及时交换磁极，显然这不容易做到；实际的直流电动机是靠及时改变电流方向来改变受力方向的。

所以，使磁场中的通电线圈连续转动，就要每当线圈刚转过平衡位置，就改变一次电流方向。

怎样才能使线圈刚转过平衡位置时就及时改变电流方向呢？

用两个半圆铝（铜）环和电刷就构成了换向器，靠换向器就可以解决这个问题。

上图就是换向器。

两个金属半环分别接线圈的两端，两个电刷接电源的两端。

换向器的作用：

当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。

如甲图所示：

电刷B和半环E接触，电刷A和半环F接触，此时线圈中电流方向是a→b→c→d，受力方向是ab边受力向上，cd边受力向下，线圈的转动方向是顺时针。

如图乙所示：

当线圈转到平衡位置时，此时电刷正好接触了两个金属半环中间的绝缘部分，所以线圈中没有电流流过，此时线圈在磁场中也不受力的作用。

如丙图所示：

当线圈由于惯性刚刚转过平衡位置时，电刷B和半环F接触，电刷A和半环E接触，此时线圈中电流方向是d→c→b→a，受力方向是ab边受力向下，cd边受力向上，转动方向是顺时针。

如图丁所示：

当线圈转到平衡位置时，此时电刷正好接触了两个金属半环中间的绝缘部分，所以线圈中没有电流流过，此时线圈在磁场中也不受力的作用。

由于线圈的惯性，当其刚转过平衡位置时，就又返回到了如图甲所示的情况了，这样这个直流电动机就能连续不断的转动下去了。

通过上面的直流电动机模型我们可以发现直流电动机的构造主要有：

磁极、线圈、换向器、电刷。

要求同学们会组装直流电动机模型

　　安装直流电动机模型时要注意：

①直流电动机模型的安装顺序是从内到外，从下到上的。

支架→线圈转子→电刷→定子（磁极）；②安装时电刷与换向器之间的松紧、线圈转子与定子之间的间隙要适中。

③安装完毕后用手拨动一下转子，观察运转是否处于良好状态，否则应加以调试。

　　直流电动机的转动方向与转速

我们知道，通电导体在磁场中受力方向（转动方向）与电流方向和磁感线方向有关。

现在要使电动机模型中的线圈转动方向发生改变，应该将电源两极对调或将磁铁的两极对调。

改变转速的方法：

改变线圈中电流的大小。

电流越大，直流电动机的转速越快。

跟热机相比，电动机具有启动、停止方便、构造简单、体积小、效率高、对环境污染少等优点。

二【典型例题】

例1.如图所示，当电键S闭合后，小磁针的N，S极按箭头方向转动到与螺线管轴线方向一致时静止不动，试判断电源的正、负极。

　　分析：

螺线管通电后两端出现N，S极，根据同名磁极相斥、异名磁极相吸这一特点，可以判定螺线管的左端一定为N极。

由安培定则画出螺线管中的电流方向，再由电流总是由电源正极流出，通过螺线管回到电源负极，便可确定电源正、负极。

　　答：

电源左端为正极，右端为负极。

　例2.如图所示，L是电磁铁，在电磁铁上方用弹簧悬挂一条形磁体。

当S闭合后，弹簧的长度将_____，如果变阻器的滑动片P向右移动，弹簧的长度又将____（填变长、变短或不变）。

　　分析：

S未接通时，弹簧的弹力和磁体的重力相平衡。

当S闭合后，根据安培定则可确定通电螺线管的上方产生的是N极，下端是S极。

由于同名磁极相互排斥，所以弹簧将变短。

如果变阻器的滑动片P向右移动，变阻器接入电路中的电阻增大，电路的电流强度减小，通电螺线管的磁性减弱，斥力减少，弹簧的长度又将变大。

　　答：

变小；变大。

　例3.如图所示，在光滑支架上套有L1、L2两个线圈，闭合电键S后，两个螺线管的情况是（）

　　　A.静止不动。

　　　B.互相排斥。

　　　C.互相吸引。

　　　D.不能确定。

　　分析：

首先标出线圈L1，L2中电流的方向，再根据安培定则判定出L1的右端为N极，L2的左端也为N极，故相互排斥。

　　答：

B

　　说明：

解这类题首先应注意仔细辨别螺线管的绕法，并认真标出通电线圈中的电流方向，然后再运用安培定则进行判定。

　例4.要使图中通电螺线管附近小磁针的指向如图中所示，试在图中画出通电螺线管的绕法。

　　答：

可分三步进行：

（1）若使小磁针能静止在图示位置，由磁极间的相互作用规律可判定，绕成的通电螺线管的左端应为N极；

（2）根据已确定的N极位置，用安培定则可判定螺线管中电流方向（从N端看去，电流的环绕方向是逆时针的）；（3）绕制可有两种方式，如图中（甲）、（乙）二图所示。

　　说明：

从本例可以看出，通电螺线管的N，S极并不决定于电源的正、负极或电流从那端流入，而决定于螺线管中电流的环绕方向。

例5.如图所示，若闭合电键S，则电磁铁的磁性将（）

　　A.增强。

　　B.减弱。

　　C.不变。

　　D.无法判断。

　　分析：

闭合电键S1后，电路中的总电阻将减小，从而使得通过电磁铁线圈中的电流增大。

根据影响电磁铁磁性大小的因素可知，通过线圈电流增大，电磁铁的磁性增强。

　　答：

A

　例6.如图所示为电铃构造示意图。

1是电磁铁，2是弹簧片，3是螺钉，4是衔铁。

试叙电铃的工作原理。

　　分析：

电磁继电器的应用。

　　解：

开关闭合时，电磁铁就有了磁性，把簧片上的衔铁吸引过来，簧片下端的小锤在铃上打一下。

与此同时，因为衔铁与螺钉脱离接触，电路被断开，电磁铁失去磁性，不能吸引衔铁，在簧片作用下衔铁被弹回来，又与螺钉接触，电路又被接通，铃声又响。

电流就这样一通、一断，电铃就不停地响。

这就是电铃的工作原理。

例7.如图是一种防汛报警器的原理图。

K是触点开关，B是一个漏斗形的竹片圆筒，里面有个浮子A，试说明这种报警器的工作原理。

　　答：

水位升高时，浮子A会推动B一起上升，当水位达到或超过警戒线时，使控制电路接通。

这时，电流通过电磁铁，使它吸引衔铁，并使工作电路接通，电灯发光报警。

当水位降低时，浮子A带动B一起下降。

当水位低于警戒线时，控制电路被断开，电磁铁因无电流通过而停止工作，不再吸引衔铁，使工作电路被断开，电灯不再发光报警。

　　说明：

电磁继电器有的用途非常广泛。

在分析各种应用电路工作原理时，主要应弄清电磁铁通断电时触点的通断情况及其对电路的作用。

例8.在图所示的实验中，若导体AB受到的力方向水平向左，为了使它受力的方向水平向右，可采用以下哪几种方法：

（）

　　A.改变导体中电流的方向

　　B.使磁铁两极对调

　　C.增大电路中电流强度

　　D.在改变导体电流方向的同时，将磁铁两极对调

分析：

通电导体在磁场中受力方向跟电流方向和磁感线方向有关，如果电流方向相反，或者磁感线方向相反，导体的受力方向也相反。

但不可将电流方向和磁场方向同时改变，否则受力方向反而不变。

故正确选项为A和B。

解：

选项A、B均正确

例9.要改变直流电动机的转动方向，可行方法：

（）

　　A.适当减少电流强度

　　B.适当减弱磁场

　　C.改变线圈中的电流方向或把磁铁两极对调

　　D.改变线圈中电流方向的同时对调磁铁两极

分析：

线圈的转动方向跟通入的电流方向或磁场方向有关，而与电流强弱、磁场强弱无关，但不可同时改变电流方向和磁感线方向，故只有选项C正确。

解：

选项C正确。

三【模拟试题】（答题时间：

40分钟）

一.填空题

　1.1820年，丹麦科学家______把连接电池组的导线放在和磁针平行的位置上，当导线通电时，磁针立即偏转一角度，这个实验表明通电导体周围存在着_____。

　2.如图所示，要使电压表的示数变小，应将滑动变阻器的滑片P向______端移动，此时电磁铁的磁性将_______。

3.通电导体在磁场中受到力的作用，保持磁场方向不变，使导体中的电流方向与原来相反，则通电导体所受磁场力方向_______；保持电流方向不变，使磁感线方向相反，则通电导体所受磁场力方向______。

这表明通电导体在磁场中受力的方向，跟______方向和______方向有关。

　4.通电线圈在磁场中受到力的作用会发生_____，转到线圈平面和磁感线垂直的位置时，由于通电线圈两组对应边受到的磁场力分别______相等，方向______，并且作用在同一直线上，互相______，线圈最后就停在这个位置上，这一位置叫做线圈的______位置。

　5.通电线圈在磁场中受力的作用发生转动时，消耗了______能，得到了______能。

6.直流电动机是利用_______的原理制成的。

它在工作过程中，把_____能转化为______能，它的构造分为四大部分，分别叫_____、_____、_____和____。

　7.跟热机相比，电动机具有______方便、构造_____、体积_____、效率_____、对环境污染______等优点。

　8.如图所示电路中，要增加直流电动机的转速，变阻器的滑片P移动方向应向_____移动（选填“左”或“右”）。

二.选择题

1.一根长直铜导线在靠近一个原来静止的小磁针的过程中（）

A.小磁针不动，导线不可能有电流通过

B.小磁针发生转动，导线一定通有电流

C.小磁针发生转动，导线不一定通有电流

　　D.小磁针不动，导线一定没有电流通过

　2.如图所示，当开关S闭合时电磁铁和物体ab相互吸引，则正确的说法是（）

　　A.ab一定是磁铁，且a端一定是N极

B.ab一定是磁铁，且a端一定是S极

C.ab可能是磁铁，且a端是S极

　　D.ab仅是一块铁，而不是磁铁

3.用电磁继电器来操纵高电压、强电流的开关，其主要作用是（）

A.节约用电

B.操作简单

C.保护用电器

　　D.避免危险

　4.如图所示，ab，cd为铁棒，当电键S闭合后，ab，cd就被磁化，磁化后的极性为（）

A.a端为N极，d端为N极

B.a端为S极，d端为S极

C.b端为S极，d端为S极

　　D.b端为N极，d端为N极

　5.如图所示，开关S接通后，两个通电螺线管将（）

A.相吸

B.相斥

C.先相吸、后相斥

　　D.先相斥、后相吸

　6.如图所示，开关S闭合后，位于螺线管右侧的小磁铁的N极将（）

A.顺时针转过90°

B.逆时针转过90°

C.转过180°

　　D.保持静止状态

7.下列叙述中，正确的是（）

A.话筒的作用是把声音直接传递到受话人的听筒

B.话筒的作用是把忽强忽弱的电流转化为声音

C.话筒的作用是把声音的振动转化成强弱变化的电流

　　D.话筒的作用是把电流直接送到受话人的听筒

8.在安装直流电动机模型的实验中，如果已安装完毕，闭合电键后，线圈顺时针方向转动，那么操作中能使线圈逆时针方向转动的是（）

A.减少一节电池，使通过线圈的电流强度减小

B.把电源两极对调，改变线圈中的电流方向

C.不能把磁铁的两极对调，即不能改变磁感应线的方向

　　D.同时把电源的两极及磁铁的两极对调

三.作图题

　1.如图所示，根据小磁针静止时N极的指向，标出磁感线的方向、电磁铁磁极的极性、导线中的电流的方向及电源的正负极。

　2.如图所示，通电后欲使位于两个通电螺线管间的小磁针的指向不变，试在图中画出两螺线管上导线的绕法。

　3.图中电流表的连接是正确的，试在图中标出通电螺线管的N，S极。

　4.用笔画线代替导线，将图所示的各元件连接起来，以达到用低电压、弱电流控制高电压、强电流的目的。

四.实验题

　　给你带铁芯的螺线管、蓄电池、开关、滑动变阻器各一个，如图所示，试用笔画线代替导线，把它们连接起来（连线不要交叉），并满足以下三点要求：

（1）组成一个可改变电磁铁磁性强弱的电路；

（2）当滑动变阻器的滑片向右滑动时，电磁铁的磁性增强；

　　（3）电磁铁的左端为S极。

四【试题答案】

一.填空题：

1.奥斯特，磁场

2.左，减弱

3.也相反，也相反，电流，磁感线

4.转动，大小，方向，平衡，平衡

5.电，机械

6.通电线圈能在磁场中转动，电，机械，磁铁，线圈，两个电刷，换向器

7.启动、停止，简单，小，高，少

8.左

二.选择题

1.B2.C3.D4.B

5.B6.D7.C8.B

三.做图题

1.

2.

3.

4.

四.实验题