第4节 电动机
【教学目标】
知识与技能
1．知道磁场对电流有力的作用，知道通电导体在磁场中受力方向与哪些因素有关。
2. 知道直流电动机的基本构造、工作原理和能量转化。
3. 知道换向器在直流电动机中的作用。
4.了解电动机在生活中的应用。
过程与方法
1．经历探究通电导线在磁场里受力的作用及受力方向与电流方向、磁场方向有关的过程，提高实验探究能力、分析归纳能力。
2. 经历制作模拟电动机的过程，了解直流电动机的结构和工作原理，提高动手能力，
情感、态度与价值观
1．通过观察和实验，养成学生实事求是的实验态度以及与他人交流与合作的精神。
2．通过了解物理知识如何转化成实际技术应用，进一步提高学生学习科学技术知识和应用物理知识的兴趣。
【教学重点】
通电导线在磁场中受到力的作用，力的方向跟电流的方向、磁场的方向都有关；直流电动机的原理。
【教学难点】
电动机能够持续转动的原因；直流电动机换向器的作用。
【教学准备】
教师准备：小风扇、蹄形磁体、5号电池（2节）、导线、开关、线圈、电动机演示模型、多媒体课件
学生每组准备：蹄形磁铁、铁架台、直导线、5号电池（2节）、开关、导线、小刀、漆包线、泡沫板、金属支架
【教学过程】
教 学 设 计
教学内容
教 师 活 动
学 生 活 动
一、创设情景，导入新课
【情景创设】展示小风扇，通电使其转动：
【演示】你知道，小风扇是靠什么装置来转动的吗？打开风扇出示电动机，并给它通电，让它转起来。
【揭示课题】你知道通电后电动机为什么会转动吗？它是是根据什么原理工作的呢？就让我们就一起来探究电动机的奥妙吧！
§20.4 电动机
（设计意图：
观察到小风扇在转动。
观察电动机的转动情况
充满兴趣，思考，进入本节课的学习。
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通过实物展示及其电动机的转动，能够立即抓住学生的眼球，激起学生的兴趣，以较高的热情投入到学习中。）
二、探究新知
（一）磁场对通电导体的作用
1、通电导体在磁场中受到力的作用
【引领认知】让学生回忆奥斯特实验，提问：磁针为什么会转动？
【过渡问题】启发学生逆向思考：假如通电导线放在磁场中会不会也受到磁场的作用力呢？
【实验探究】利用桌面上的器材，分组实验：
1、将一根直导体放入磁场中，接通电源，让电流通过直导体，观察现象。
提问：这种现象说明了什么？
2、把电源的正负极对调后接入电路，使通过直导线的电流方向和原来的相反，观察直导体的运动方向有何变化。
提问：这种现象说明了什么？
3、保持直导线中的电流方向不变，把蹄形磁体上下极磁极调换以下，使磁场方向与原来相反，观察直导线的运动方向。
提问：这种现象说明了什么？
【归纳总结】
回忆，思考，回答问题：通电导体周围存在磁场，对磁针产生力的作用。
讨论，猜想：可能会像小磁针一样发生偏转。
小组分工，认真实验，注意观察实验现象：
1、观察到直导体发生运动。这种现象说明了通电导在磁场中要受到力的作用。
2、观察到直导线的运动方向和原来相反。
这说明通电导体在磁场中受到力的方向与电流的方向的方向有关。
3、观察到直导线的运动方向和原来相反。
这说明通电导体在磁场中受到力的方向与磁感线的方向有关。
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2、通电导体在磁场中受到力的方向与电流的方向、磁感线的方向有关
比较上面的实验，你能把实验得到的知识总结一下吗？
让小组内先总结，再让小组代表发言，归纳出结论：
1、通电导体在磁场中要受到力的作用。
2．通电导体在磁场中受到力的方向与电流的方向、磁感线的方向有关。
【知识延伸】启发学生思考：如果电流的方向、磁场的方向都发生改变，直导线受力的方向会怎么变化呢？请你验证一下，得出结论。
（设计意图：经历实验探究的过程，感知磁场对电流有力的作用，并认识到通电导体在磁场中受力方向与电流的方向、磁感线的方向因素有关，提高实验观察能力、分析归纳能力。）
【牛刀小试】a是垂直于纸面的一跟导线，用表示电流的方向垂直于纸面向里，⊙表示电流的方向垂直于纸面向外。甲图表示直导体a在磁场中受到向左的力F，请判断乙图中导体受到的力的方向。
（设计意图：加深对通电导线在磁场中受力方向与电流方向和磁感线方向有关的理解。）
思考，把结论先在小组内交流总结，然后派代表发言，集体纠正、完善。
认真实验，观察现象，小组讨论后最后得出结论：如果电流的方向、磁场的方向都发生改变，直导线受力的方向反而不变化。
思考，回答：A、B中导体受到向右的力，C中导体受到向左的力。
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二、电动机
1、通电线圈在磁场受力分析
【过渡问题】把一根直导线折成一个线框，通电后它会怎样运动？
【演示实验】把线框放在磁场里，接通电源，让电流通过，观察所看到的现象。
【实验探究】你知道线框为什么能够转动、但不能持续转动吗？现在我们共同分析一下（模型结合动画）。
（1）使线圈静止在如图位置上，闭合开关，图中ab边和cd边电流方向怎样，结合通电导体在磁场中的受力方向与电流方向的关系，分析ab边和cd两边的受力方向如何？会产生什么效果？
强调：这个位置是线圈的平衡位置，即线圈平面与磁场垂直的位置。
（2）使线圈静止在如图位置上，闭合开关，图中ab边和cd边电流方向怎样，ab边和cd两边的受力方向如何？会产生什么效果？你看到什么现象？
（3）提问：线圈转过平衡位置，为什么不是立即停止？为什么又逆时针转动返回平衡位置？
把线圈静止在如图位置，即刚才线圈越过平衡位置后所到达的位置。闭合开关，ab边、cd边电流方向怎样，受力又如何呢？会产生什么效果？
讨论，各种提出猜想。
观察所看到的现象：通电线框在磁场中转过一个角度，但不能持续转动。
仔细观察老师的演示，共同讨论，分析，回答问题：
（1）ab和cd中电流方向相反，则ab受力方向和cd两边的受力不仅大小相等、方向相反，而且在同一条直线上，即二力平衡，所以线圈处于静止状态。
（2）ab和cd中电流方向相反，则ab和cd两边受力方向就相反，又因为两个力不在一条直线上，所以线圈在这两个力的作用下将沿着轴线顺时针转动，但越过平衡位置以后不能继续转下去，最后又逆时针转动返回平衡位置。
（3）线圈转过平衡位置后，不是立即停止，是因为线圈具有惯性。
越过平衡位置后，ab和cd中电流方向仍然相反，ab边与cd边受力不变，阻碍了线圈继续沿顺时针转动。
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2、制作电动机
3、电动机原理：
【问题设疑】怎样使线圈在转过平衡位置后继续沿原来的方向转动下去？
让学生交流讨论，大胆提出各种猜想，教师总结：如果在越过了平衡位置后停止对线圈供电，由于惯性，线圈就能连续转动下去。
（设计意图：通过模型和动画相结合的分析探究过程，加深学生对线圈不能持续转动的理解，为下面知识的学习做铺垫。）
【动手实践】指导学生制作“小电动机”。
指导学生把一段粗漆包线绕成3cm×2cm的线圈，漆包线在线圈两端各伸出约3cm。用小刀刮两端引线的漆皮，左端全部刮掉，右端只刮半周。用硬金属丝做两个支架，固定在硬纸板上，支架与电池相连。线圈放在支架上，线圈下放一块强磁体，通电并用手轻推一下，线圈就不停地转下去。
【提出问题】提出问题让学生思考：
1、你是根据什么原理设计的电动机？
2、在做“小小电动机”实验的时线圈为什么能不停地转动呢？
（设计意图：让学生亲自动手制作电动机模型并展示，培养学生的动手能力、小组合作意识，体验成功喜悦，增强学习积极性）
【激发诱思】上面电动机设计的缺陷在哪？又该如何改进？引导学生讨论。
总结：
小组交流、讨论：
1、越过平衡位置后，受到的力消失；
2、改变受力方向；
3、……
学生分组动手做小小电动机，并在全班展示制作成果。
结合制作过程和转动情况，思考回答：
1、电动机的原理是：通电线圈在磁场中受力转动。
2、采用只刮引线半周漆皮的办法，从而给线圈适时供电或停电。线圈转一周，只有半周获得动力，另半周线圈中没电流不受力，线圈靠惯性转过这半周后，又回到原来的位置，线圈又受到向同方向转动的力，继续转动下去。
组内讨论，交流意见，回答：电动机只有半周受到动力，如果半周后，改变电流方向或改变磁场方向就
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4、电动机的基本构造：
5、换向器的结构
6、电动机的工作过程
如果在线圈转动的后半周，不是停止给线圈供电，而是设法改变后半周的电流方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈就能转得更平稳了。
【学习构造】要知道生活中的电动机的工作过程，现在我们先来了解一下电动机的构造 ，出示电动机模型，提问：电动机由几部分组成？
转子（线圈）
定子（磁体）
【认识换向器】生活中的电动机，多采用改变电流方向的办法来改变受力的方向，实现这一目的的装置是换向器，我们再来认识一下换向器。
【工作过程】播放动画视频，共同分析电动机的工作过程：
甲
乙
丙
使线圈在后半周也获得动力。
回答：由能够转动的转子和固定不动的定子两部分组成。
仔细观察换向器的结构：由两个铜半环和两个电刷组成。
仔细观察视频，和老师一起共同学习，分析工作过程：
甲图中电流从正极流经B、E到abcd，再流经F、A到负极。ab边受力向上，cd边受力下，线圈顺时针转动
乙图中电刷AB分别与两个半铜环的绝缘部分接触，此时线圈中没有电流，不受力，但由于惯性，继续顺时钟转动。
丙图中电流从正极流经B、F到dcba，再流经E、A到负极。使cd边受力向上，ba边受力向下，线圈继续顺时针转动。
丁图中过程与乙图过程一样，使线圈能周而复始持续转动下去。
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7、换向器的作用和电动机的能量转化
8、电动机的应用
丁
【总结归纳】从以上电动机的工作过程，你能说出换向器的作用是什么吗？
电动机工作过程中，能量是怎么转化的？
（设计意图：通过对线圈转动一周的分析，让学生充分认识直流电动机的工作过程及换向器的作用。）
【列举实例】电动机在生活中的应用十分广泛，生活中哪些地方利用到了电动机？
【课件展示】生活中实际的直流电动机及转子：
介绍：实际的电动机都有多个线圈，每个线圈都接在一对换向片上，以保证每个线圈在转动的过程中受力的方向都能使它朝同一方向转动。
（设计意图：通过了解物理知识如何转化成实际技术应用，进一步提高学生学习科学技术知识和应用物理知识的兴趣。）
【牛刀小试】出示练习题：
1、下列说法正确的是( )
思考，回答：每当线圈转动通过平衡位置后，换向器就自动改变线圈中电流的方向，使线圈持续转动。
电动机工作过程中，电能转化为机械能。
结合生活实际，列举电动机的应用。
倾听老师的介绍，了解知识。
思考，回答：
1、 答案：B
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A.要改变电动机转动方向，可同时改变磁场方向和线圈中电流方向
B.电动机是把电能转化为机械能的机器
C.直流电动机是利用线圈的转动而产生电流的
D.改变线圈中的电流方向，可以改变电动机线圈转动的快慢。
2、直流电动机换向器的作用是（ ）
A．改变直流电源中的电流方向
B．改变电动机线圈的方向
C．改变流经电动机中的电流方向
D．以上说法都不对
2、答案：C
科学世界
我们知道声音是由物体振动发出的，那么扬声器是怎样发声的呢？你能结合下列图片解说一下扬声器的结构和发声原理吗？
（设计意图：开拓学生视野，培养学生乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理的情感，建立将科学技术应用于实际的意识。）
阅读科学世界，自学知识：
观察图片了解扬声器的构造是：永久磁体、线圈、锥形纸盆
结合图片，了解扬声器的发声原理：扬声器的线圈中通入携带声音信息、时刻变化的电流，使得它在一个瞬间和下一个瞬间受到磁场对它的不同的力，于是带动纸盆振动起来，发出了声音。
三、课堂小结
回顾本节课的学习内容，本节课你有哪些收获？还有哪些疑惑?引导学生总结：
1．磁场对通电导线有力的作用，力的方向跟什么因素有关？
2. 电动机的工作原理是什么？由几部分组成？
3. 换向器的作用是什么？
4. 电动机的能量转化是什么？
收获背篓：学生讨论梳理知识，交流收获和疑惑。
教师巡视、讲评
完成检测题，见附件1
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四、课堂检测
五、布置作业
出示思考题题目
课后完成 ，见附件2
【板书设计】
§20.4 电动机
一、磁场对通电导线的作用
1、通电导体在磁场中受到力的作用。
2、通电导体在磁场中受力的方向与电流方向、磁场方向有关。
二、电动机
1、基本构造：转子、定子
2、工作原理：通电线圈在磁场中受力转动。
3、换向器的作用：每当线圈转动通过平衡位置后，换向器就自动改变线圈中电流的方向，使线圈持续转动
4、能量的转化：电能转化为机械能。
【教学反思】
一、教案的“亮点”
1．本节课对教材的安排顺序适当地进行了调整，按照“探究通电导线在磁场中会受到力的作用 探究影响通电导体在磁场里受力方向的因素 探究磁场对通电线圈的作用 制作模拟电动机 电动机的工作原理 电动机在生活中的应用”，进行教学，这样的教学流程层层递进，连续性强，符合学生的认知规律。
2．在研究磁场对通电导线的力的作用时，考虑到器材中的金属导轨和导线之间有摩擦力，会影响实验结果，所以我对实验器材进行改进，使用铁架台把导线悬挂起来，实验效果非常明显。
3、充分利用分组实验、演示实验、模型、动画和图片，给学生提供感性的认识，利用问题诱思和实验探究、分析的同步进行， 引领学生从事实和理论两方面浅入深地作了诠释和说明，充分体现了老师的主导作用和学生的主体地位，加深学生对知识的理解。
二、教学中易出现的问题
1．在探究“通电线圈在磁场中的受力分析”和“换向器在直流电动机的作用”这两部分中，所用的时间稍长，使本节课的教学略显紧张，但有些学生还是一知半解。
2、由于这堂课学生探究任务多且重，会出现一些问题，如分工不明确、小组实验混乱无秩序等，为了减少错误，提高实验效率，节约时间，进行实验前应做好实验过程辅导。另外，由于学生制作电动机的过程用时过多，最好让学生在课前完成。
附件1：课堂检测
1．下列家用电器中，应用了电动机的是（ ）
A．电熨斗 B．电风扇 C．电饭锅 D．电热毯
2、直流电动机中换向器的作用是（ ）
A.当线圈在磁场内转动时，每转动一周，换向器改变一次线圈中的电流方向
B.当线圈在磁场中转动时，换向器可随时改变线圈中的电流方向
C.每当线圈刚转过平衡位置时，换向器就能自动改变线圈中的电流方向
D.没有换向器，直流电动机也可以工作
3、如图所示是直流电动机示意图，下列说法正确的是（ ）
A．只改变电流方向，不能改变其转动方向
B．只改变磁场方向，不能改变其转动方向
C．同时改变磁场和电流方向，不能改变其转动方向
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D．同时改变磁场和电流方向，可以改变其转动方向
4．在物理实验课上，小明想观察直流电动机模型的工作情况，将其接入电路，各部分连接完好，结果电动机却不工作，他用手轻轻地碰了一下线圈后，直流电动机模型开始正常转动，其原因可能是（ ）
A．直流电动机的铜半环与电刷接触不良 B．电源电压太低
C．线圈刚好处于平衡位置 D．线圈中的电流太小
5、小明感觉自己的玩具电动车运动得太慢，总想提高电动机的转速，下面的做法不一定使电动机转速加快的是（ ）
A、增加电源电压 B、减少线圈匝数
C、换用磁性更强的磁极 D、提高电压 和增强磁场
6、直流电动机由两部分组成：能够转动的线圈（叫 ）和固定不动的磁体（叫 ），它工作时，把___能转化为 能，其工作原理：
7. 如图所示，把导线ab放在磁场里，接通电源，让电流通过导线ab，发现导线ab在导轨上向左运动，把电源的正负极对调后接入电路，则导线ab_________（填“向左”或“向右”）运动。若保持导线ab中的电流方向不变，但把蹄形磁铁上下磁极调换一下，则导线ab________（填“向左”或“向右”）运动。这一实验表明，_________对_________有力的作用，通电导线在磁场中受力方向与_________的方向和_________方向有关。
8.在图中，表示导线垂直纸面且电流方向向里，表示导线垂直纸面且电流方向向外，请按要求作图。
参考答案：1、 B 2、C 3、C 4、C 5、 B
6、转子；定子；电；机械；通电线圈在磁场中受力转动
7、向右 向右 磁场 通电导体 电流 磁场
8、如图
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附件2：思考题
小明在台灯下用条形磁铁做实验时突然发现：手中的条形磁铁靠近白炽灯时，灯丝就不停的“抖动”。根据小明观察到的现象，请你亲自做一做，并分析出灯丝“抖动”的原因。
参考答案： 通电导体在磁场中要受到力的作用，灯丝中有电流通过，所以灯丝在条形磁铁的磁场中要受到磁力的作用而运动，由于通电灯丝的电流方向时刻发生变化，灯丝受到的磁力的方向也随之发生变化，所以灯丝就来回“抖动”。
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