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17.2 探究电动机转动的原理
第十七章 电动机与发电机
逐点
导讲练
课堂小结
作业提升
课时讲解
1
课时流程
2
探究磁场对电流的作用
平衡位置
换向器的作用
电动机的工作原理
复习巩固，引入新课
电动机( 如图1 所示) 结构的简化：电动机转子上的线圈组→一个线圈中的一段直导线；电动机定子槽内的电磁铁→蹄形磁铁。通过对电动机两个主要部件的简化后，
就可以用线圈或单根直导线与蹄形磁铁来进
行实验探究了。那么运用单根直导线和蹄形
磁铁，怎样进行实验探究呢？
温故而推新
巩固上节课所学内容，提出新的研究任务，从“旧知”中发现新问题，是一种良好的学习品质
知识点
探究磁场对电流的作用
知1－讲
1
1. 实验装置：如图2 所示。
知1－讲
2. 实验探究：磁场对电流的作用。
结论：通电导体在磁场中会受到力的作用。
实验操作 现象 结论
闭合开关 金属棒AB 运动 磁场中的导体只有通过电流时才会受到力的作用
断开开关 金属棒AB静止不动
移开蹄形磁铁 金属棒AB 静止不动 通电导体必须在磁场中才受到力的作用
知1－讲
3. 实验探究：通电导体受磁场力方向与哪些因素有关？
电流方向 磁场方向 导体棒AB 运动方向
由A 到B N 极在上 左
由B 到A N 极在上 右
由A 到B N 极在下 右
由B 到A N 极在下 左
知1－讲
结论：通电导体在磁场中受磁场力方向与电流方向和磁场方向有关。若只改变电流方向或磁场方向，通电导体受力方向改变；若电流方向和磁场方向同时改变，则通电导体受力方向不变。
知1－讲
学会思考
学会甄别，合理选择
知1－讲
你知道为什么选择(b)方案吗？你能分析出如果选用(a)和(c)方案实验时需要注意什么吗？
答：若选用(a)方案或(c)方案装置，需要短暂闭合开关，观察现象 ，然后马上断开开关，因为通电后电路相当于短路。
知1－讲
①利用“控制变量法”和“转换法”探究通电导线在磁场中的受力情况
控制变量法
通电导线在磁场中的受力方向与导线内电流方向、磁场方向有关。
(1)保持电流方向不变，改变磁场方向，通电导线受力方向发生改变；
(2)保持磁场方向不变，改变电流方向，通电
导线受力方向发生改变；
(3)同时改变电流方向和磁场方向，通电导线
受力方向保持不变。
知1－讲
例 1
如图16 所示，图甲是“通电导线在磁场中受力”的实验示意图，小谦同学实际探究时，在电路上连接了一个滑动变阻器，实验记录如表格所示。
知1－讲
实验序号 磁场方向 ab 中电流方向 ab 运动方向
1 向下 无电流 静止不动
2 向上 由a 向b 向左运动
3 向下 由a 向b 向右运动
4 向下 由b 向a 向右运动
知1－讲
(1)用笔画线代替导线，在图乙中将滑动变阻器正确连入电路，小谦在电路中接入滑动变阻器的作用是_________ 。
解：如图17 所示
保护电路
知1－讲
思路导引：滑动变阻器按“一上一下”的接法接入电路，如图所示。滑动变阻器起到保护电路的作用，防止电源被短路。
知1－讲
(2)比较实验2 和3，说明通电导线在磁场中受力方向与__________有关;比较实验__________，说明通电导线在磁场中受力方向与电流方向有关。
磁场方向
2 和4
知1－讲
思路导引：比较实验2 和3，电流方向相同，磁场方向不同，导体运动的方向不同，说明通电导线在磁场中受力方向与磁场方向有关；比较实验2 和4，磁场方向相同，电流方向不同，导体运动方向不同，说明通电导线在磁场中受力方向与电流方向有关。
知1－讲
(3)小谦通过观察导线运动方向，来判断导线在磁场中受力方向，用到的科学方法是_____________。
转换法
②判断通电导线是否受磁场作用力
(1)当通电导线与磁场方向平行时，导线不受磁场力的作用；
(2)当通电导线与磁场方向垂直时，导线受到的磁场力最大；
(3)当通电导线既不与磁场方向平行，也不垂直时，导线所受力的大小介于零和最大值之间。
知1－讲
思路导引：实验中通过观察导线运动方向，来判断导线在磁场中受力方向，用到的科学方法是转换法。
知1－练
1. 如图(1)是探究通电导线在磁场中受力作用的实验装置。闭合开关，观察到导线ab 向右运动，记录现象如图(2)甲所示(如图甲、乙、丙是该实验装置的剖面图)，其中 表示电流垂直纸面向外流出， 表示电流垂直纸面向里流进。接着把磁体的 N、S 极对调，记录的现象如图乙所示。
知1－练
(1)比较图甲、乙可知，通电导线在磁场中的受力方向与 ______方向有关；
磁场
知1－练
(2)在图丙中画出磁感线方向；
解：如图所示。
知1－练
(3)在图丙中画出导线受到的磁场力F 的示意图。
解：如图所示。
知1－练
见多识广
在学习本节时经常用到以下符号，请识记它们的相应含义。“ ”表示磁感线方向垂直于纸面向外， “×”表示磁感线方向垂直于纸面向里；“⊙”表示电流方向垂直于纸面向外，“ ”表示电流方向垂直于纸面向里。
知2－讲
知识点
平衡位置
2
通电线圈在磁场中的运动
图(a)中根据左手定则可以判断，接通电路后，白色的边受到的力向上，黑色的边
受到的力向下，线圈在两个力的
作用下顺时针转动。
知2－讲
知识拓展
左手定则：
判断通电直导线在磁场中受力方向的方法——左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内;让磁感线从掌心进入，
并使四指指向电流的方向，这时拇指所
指的方向就是通电直导线在磁场中所受
安培力的方向。
知2－讲
当线圈转到图(b)位置时，黑色的边和白色的边，受到的力恰好在一条直线上，且大小相等，方向相反，此时线圈受到的力为平衡力。但线圈由于惯性越过该位置继续转动，当线圈转过该位置后，黑色的边仍然受力向下，白色的
边仍然受力向上，此时线圈转动越来越慢，速
度为零；接着会在磁场力作用下逆时针转动……
线圈来回摆动几次就停在该位置上了。
知2－讲
提纲挈领
线圈转动原因：
知2－讲
2. 平衡位置
当线圈平面转到与磁感线方向垂直的位置时，线圈两边受到的力在同一直线上，且大小相等，方向相反，即线圈两边受到平衡力的作用而不能使线圈转动，这个位置叫做平衡位置。
平衡位置是指线圈平面和磁感线垂直的位置。
知2－讲
3. 线圈在磁场中的转动过程
(1)如图5 甲所示，通电线圈在磁场中两边受力，但方向相反，沿顺时针转动。
知2－讲
(2)如图乙所示，当线圈的平面与磁场方向垂直时，达到平衡位置，通电线圈受平衡力作用，这时由于惯性线圈还会继续转动。
知2－讲
(3)如图丙所示，线圈靠惯性越过平衡位置后，受磁场力作用的结果使线圈逆时针转动。
知2－讲
(4)如图丁所示，通电线圈最后静止在平衡位置。
静止之前，线圈会在平衡位置附近做振幅越来越小的摆动。
知2－讲
思想方法
过程分析法：
含义：事物在发展变化过程中，会处于几个不同的阶段，通过分析每个阶段影响因素的变化，确定物体所处的状态和发生的变化。
本节体现：研究对象——线圈，在转动过程中，随着位置的改变，两边导线内的电流方向、所处磁场方向没有发生改变，所以两边受力没有改变；但是对于整个线圈，由于位置的改变，导致运动方向发生改变。
知2－讲
拓展一步
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。
知3－讲
知识点
磁感线—— 一种描述磁场的方法
3
换向器的结构
换向器主要由电刷和彼此绝缘的金属半圆环组成。换向器的两个金属半圆环分别跟线圈的两端相连接，并通过电刷与电源两极相连接。
知3－讲
2. 换向器的作用：当线圈刚越过平衡位置时，换向器就会改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈继续转动下去。
知4－讲
知识点
电动机的工作原理
4
1. 电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的。用直流电源供电的电动机叫做直流电动机。
也可以说磁场对通电导体有力的作用。
知4－讲
知识广角
实际使用的直流电动机由定子和转子两部分组成，转子的线圈有许多组，并且是嵌在圆柱形铁芯上的，换向器也是由许多对铜片组成的，定子由机壳和电磁铁或永磁体组成，转子安装在定子里，
两个电刷是用石墨与铜粉混合压
制而成的。
2. 电动机的工作过程
知4－讲
思想方法
对比分析法理解“平衡位置”：
没有换向器时，线圈在磁场中处于平衡位置，线圈中有电流通过，线圈受平衡力的作用；有换向器时，线圈在平衡位置时，电刷和换向器的绝缘部分接触，此时线圈中没有电流通过，线圈不受力的作用。
3. 直流电动机的工作原理：通电线圈在磁场中受到力的作用使线圈转动，同时通过换向器及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。
4. 电动机工作过程中的能量转化：电能转化为机械能。
知4－讲
5. 磁场对通电导体作用原理的应用
(1)磁电式电流表(如图11)。
知4－讲
磁电式电流表即为中学物理常用的测量闭合回路电流大小的仪器。当电流通过线圈时，通电导线在磁场中就受到力的作用，线圈左右两边所受力的方向相反，安装在轴上的线圈就会转动。当通电线圈转动时，螺旋弹簧将被扭动，产生一个阻碍线圈转动的阻力，其大小与线圈转动的角度成正比，当线圈受到的磁场力与螺旋弹簧中的阻力相等时，线圈停止转动，此时指针偏向的角度与电流成正比，故电流表的刻度是均匀的。当线圈中的电流方向改变时，磁场力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变，所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。
知4－讲
(2)动圈式扬声器(如图12)
知4－讲
扬声器是把电信号转换成声信号的一种装置。扬声器的构造主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。当线圈中通有电流时，线圈受到磁铁的作用而运动；当线圈中的电流反向时，线圈向相反方向运动，由于通过线圈的电流是交变电流，它的方向不断变化，线圈就不断地来回振动，带动纸盆也来回振动，于是扬声器就发出了声音。
(3)电动玩具和机器人。
知4－讲
二者工作原理相同，都是磁场对通电导体有力的作用。
知4－讲
拓展一步
为什么玩具电动机在任何位置都能启动？
答：这是因为它的转子构造，其采用了一种三极转子，换向器也有三片，如图所示。根据直流电动机的工作原理可知，三极转子在磁场中转动时，线圈平面总不能与磁感线同时垂直，因此它可以随时启动。
知4－讲
研究电动机的工作过程。
例2
(1)电动机的工作原理是磁场对_________有力的作用。图甲中，线圈左右两边框ab、cd 的
受力方向相反，其原因是
______________。
通电线圈
电流方向不同
知4－讲
思路导引：电动机的工作原理是磁场对通电线圈有力的作用。线圈受力方向与电流方向和磁场方向有关；图甲中，线圈左右两边框ab、cd 的受力方向相反，是因为两侧的电流方向不同。
知4－讲
(2)图乙中的线圈所在的位置______(填“是”或“不是”)平衡位置，图中C、D 组成的装置叫______，它的作用是在线圈______(填“刚转到”“即将转到”或“刚转过”)平衡位置时，自动改变
线圈中的电流方向，从而使
线圈持续转动。
是
换向器
刚转过
知4－讲
思路导引：图乙中的线圈所在的位置是平衡位置，线圈可以持续转动，是因为它加装了换向器，它能在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。
知4－讲
(3)a. 小明将图丙中直流电动机模型接入电路，各部分连接完好，结果电动机却不能转动，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。模型刚开始不转的原因可能是______。
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
C
知4－讲
思路导引：直流电动机的铜半环与电刷接触不良，形成开路，电路中没有电流，形不成通电导体，故电动机始终不会工作，A 不符合题意；若是电源电压太低，即线圈中的电流很小，线圈所受的磁场力小于摩擦力时，即使我们轻推一下，电动机也不会转动，B 不符合题意；平衡位置时电动机的转子和定子形成了开路，导体中没有电流通过，磁场对其没有作用力，电动机不会转动，但是用手轻轻地碰了一下线圈后，线圈越过平衡位置，继续转动，C 符合题意；若是线圈中的电流太小，同样线圈所受的磁场力小于摩擦力时，即使我们轻推一下，电动机也不会转动，D 不符合题意。
知4－讲
b. 调换器件______(填图丙中器件序号)的放置可方便改变电动机的转动方向。
①
知4－讲
思路导引：因为线圈受力方向与电流方向和磁场方向有关，所以图丙所示的电动机模型中，调换器件①(磁铁)的放置，即改变磁场的方向，可方便改变电动机的转动方向。
知4－讲
③直流电动机工作过程的理解
理解直流电动机的工作过程时，还应注意的两个问题：
(1)直流电动机，在工作时，外部工作电路中，电流方向始终保持不变。
(2)依靠换向器与电刷的配合，通电线圈每转过一周，线圈中的电流方向就改变两次，这样线圈就能够连续不停地沿同一方向转动下去。
知4－讲
(3)改变电动机转向的方法：
说明：若同时改变磁场方向、电流方向，电动机转动方向不变。即“一变则变，全变不变”。
探究电动机转动的原理
电动机
能量转化
原理
磁场对通电导线的作用
概念
探究电动机转动的原理
1. 磁场对电流作用力的方向的影响因素：
(1)电流的方向；(2)磁场的方向。
2. 磁场对电流作用力的大小的影响因素：
(1)电流的大小；(2)磁场的强弱。
3. 电动机：
(1)原理：磁场对通电导线的作用。
(2)结构：定子和转子。
(3)能的转化：电能转化为机械能。
