人教版九年级物理 第二十章电与磁第4节电动机（教学设计）

人教版九年级物理 第二十章 电与磁
第4节 电动机（教学设计）
【课题】第4节 电动机
【学习目标】
1.通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，知道力的方向与电流方向和磁场方向有关。
2.了解直流电动机的构造、工作原理及其能量转化。
【学习重点】
磁场对通电导线的作用。
【学习难点】
1. 电动机能够持续转动的原因，换向器的作用。
2. 直流电动机的构造和工作原理。
【教学器材】
电源、开关、蹄型磁铁、金属直导线、矩形线圈、金属导轨支架、演示用直流电动机等（演示实验用）
【新课导入】
问题：
电力机车、电梯、电风扇、冰箱、洗衣机、机器人，以及各种电动玩具都离不开电动机。电动机已经应用在现代社会生产生活的各个方面。给电动机通电，它就能够转动。这是为什么？
【板书课题】第4节 电动机
磁体在磁场中会受到力的作用。磁体间通过磁场相互作用。
通电导线周围有磁场、那么通电导线是不是也会在磁场中受到力的作用呢
【演示实验】
（1）如图所示，把导体棒ab放在磁场里，闭合开关接通电路，让电流通过导体棒，观察它的运动。
现象：电路连通时，导体ab棒向右运动。
结论：通电导体在磁场中受到力的作用（磁场对通电导体有力的作用）。
（2）把电源的正、负极对调后接入电路，使通过导体棒ab的电流方向与原来相反，观察导体棒ab运动的方向。
现象：通电导体棒ab在金属轨道上向左运动，运动方向与原来相反。
结论：通电导体在磁场中的受力方向和电流方向有关。磁场方向不变，电流方向改变，通电导体在磁场中的受力方向和原来相反。
（3）保持导体棒中的电流方向不变，把蹄形磁体的南、北磁极调换位置，使磁场方向与原来相反，观察导体棒ab运动的方向。
现象：通电导体棒ab在金属导轨上向左运动，运动方向与原来相反。
结论：通电导体在磁场中的受力方向和磁场方向有关。电流方向不变，磁场方向改变为和原来的相反，通电导体在磁场中的受力方向和原来相反。
（4）把电源的正、负极对调后接入电路，使通过导体棒的电流方向与原来相反，同时把蹄形磁体的上、下磁极调换一下，使磁场方向与原来相反，观察导体棒运动的方向。
现象：通电导体棒ab在金属导轨上向右运动，运动方向与原来相同。
【播放视频】磁场对通电导线的作用
知识点一 磁场对通电导线的作用
问题：
实验中的直导线运动一段距离就会离开磁场，很难持续地运动。如果把一个通电线圈放在磁场中，它又会怎样运动呢？
【播放视频】 通电线圈在磁场中扭转
【分析讨论】通电线圈在磁场中受力扭转，不能持续转动的原因
甲：通电线圈在图示位置，线圈平面和磁场方向平行，ab边受力方向竖直向上，cd边受力方向竖直向下，线圈受非平衡力作用运动状态改变，绕轴线沿顺时针方向加速转动。
乙：线圈转到线圈平面与磁场方向垂直时，通电线圈ab边与cd边受大小相等、方向相反的平衡力作用，处于平衡状态，所处位置叫作平衡位置。线圈由于具有惯性会继续转动越过平衡位置。
丙：线圈靠惯性越过平衡位置后， ab边受力方向竖直向上，cd边受力方向竖直向下。ab边、cd边受力方向和运动方向相反，线圈做减速运动。速度减小为零后，绕轴线沿逆时针方向转动。
通电线圈最后静止在平衡位置。
结论：每当通电线圈越过平衡位置，所受的磁场力就阻碍线圈离开平衡位置，迫使线圈回到平衡位置，线圈在平衡位置附近摆动，不能沿一个方向持续转动，最后停在平衡位置。
通电线圈在磁场中可以转过一个角度，但不能持续转动。 如何使线圈持续地转动下去？
如果在线圈越过平衡位置后设法改变线圈中电流的方向，线圈将会继续转动下去。如何改变线圈中电流的方向呢
实际的电动机可以通过换向器来实现这一目的。
换向器的构造如图所示。换向器主要由两个电刷A、B，两个铜半环E、F组成。
两个铜半环E和F跟线圈两端相连，可随线圈一起转动，两个半环中间断开，彼此绝缘。
A和B是电刷，它们分别跟两个半环接触，使电源和线圈组成闭合电路。
无论线圈的哪个边处于靠近磁体N极的一侧，其中的电流都沿图中箭头所示的方向，这时它的受力方向总是相同的，线圈就可以不停地转动下去了。
【分析讨论】直流电动机换向器的作用
① ② ③ ④
①通电线圈在磁场中，ab、cd两边电流方向相反，受力方向相反，绕轴线顺时针转动。
②线圈转到平衡位置，电刷接触到换向器中间绝缘部分，不受力，利用惯性转过平衡位置。
③线圈越过平衡位置后，利用换向器改变了电流方向，ab、cd两边受力方向改变，仍然绕轴线顺时针转动。
④线圈转到平衡位置，电刷接触到换向器中间绝缘部分，不受力，利用惯性转过平衡位置。
【课堂练习】
【例题1】（2025年四川广安中考题）如图所示实验中，闭合开关，导体ab向右运动，下列操作能让导体ab向左运动的是【 】
改变电压大小 B. 改变电流方向
C. 改变电流大小 D. 改变导体ab长度
【答案】B
【解析】A．通电导体在磁场中受力的方向与磁场的方向和导体中电流的方向有关，只改变磁场方向或只改变电流方向，通电导棒受力方向会发生改变，改变电压大小，只改变电流的大小，不能改变导体的受力方向；
B．磁场的方向不变，改变电流方向，可以改变导体受力的方向，可以使导体ab向左运动；
C．改变电流大小，不能改变电流的方向和磁场的方向，因此不能改变导体受力的方向；
D．改变导体ab长度，不能改变导体中的电流方向和磁场的方向，因此不能改变导体受力的方向。
【例题2】图示为某电动机的原理图，EF、PQ为螺线管，abcd为电动机的线圈，OO′为转轴。闭合开关，从O点沿转轴观察，线圈顺时针转动，则【 】
A．螺线管F端为N极，P端为N极
B．螺线管F端为S极，P端为S极
C．若将电源的正负极对调，从O点沿转轴观察，线圈仍顺时针转动
D．若将电源的正负极对调，从O点沿转轴观察，线圈将逆时针转动
【答案】C
【解析】图中电流从螺线管EF、PQ的左端流入、右端流出，据安培定则可知，通电螺线管EF 的E端为N极、F端为S极，通电螺线管PQ的P端为N极、Q端为S极；
闭合开关后，图中线圈中电流方向沿abcd，线圈所在处磁场方向水平向左，从O点沿转轴观察，线圈顺时针转动；若只将电源的正负极对调，则线圈中电流的方向发生改变，两个螺线管中的电流方向也发生了改变，线圈所在空间的磁场方向变得和原来相反，线圈受到的磁场力方向不变，线圈转动方向会与原来的转动方向相同，即顺时针转动。
知识点二 电动机的基本构造
电动机主要由线圈和磁体两部分组成，能够转动的部分叫作转子，固定不动的部分叫作定子。
转子（线圈） 定子（电磁铁）
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。
【播放视频】电动机的基本构造及工作原理
【课堂练习】
【例题3】电动机是利用_____________(选填“电流的磁效应”、“磁场对电流的作用”或“电磁感应现象”)工作的。如图所示,如果要改变电动机的转动方向,可以通过改变线圈内电流的方向来实现,这个装置叫__________(填电动机的结构名称)。图中的线圈所在的位置_______(选填“是”或“不是”)平衡位置,此时线圈由于________会继续转动,从而越过此位置。
【答案】磁场对电流的作用 换向器 是 惯性
【解析】电动机是利用通电导线在磁场中受力运动的原理制成和工作的;电动机的线圈可以绕轴线沿着一个方向持续转动,是因为安装了换向器,该装置能在线圈刚转过平衡位置时,自动改变线圈中的电流方向;当线圈转至图中所示位置（线圈平面和磁场方向垂直）即平衡位置时,线圈由于具有惯性,会继续运动,从而越过平衡位置。
【科学世界】扬声器是怎样发声的
①作用：它是把电信号转变为声信号的装置。
②结构：线圈、永磁体、锥形纸盆。
③原理：当线圈中通有电流时，线圈受到永磁体的作用而运动；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。
利用上述扬声器原理，可以制成头戴式耳机和小巧的入耳式耳机。
头戴式耳机 入耳式耳机
【播放视频】扬声器是怎样发声的
【课堂练习】
【例题4】如图在扬声器的线圈两端连接干电池，扬声器______（选填“会”或“不会”）持续发声，线圈_______（选填“会”或“不会”）持续受到磁场的作用力。
【答案】不会 会
【解析】图中扬声器连接干电池后，线圈中有电流通过，所以线圈会持续受到磁场力的作用；但由于干电池提供给线圈的是方向不变的直流电，通电线圈在磁场中受力方向不会发生改变，所以线圈不能来回振动，不会持续发声。
【课后作业】练习与应用： 1、2、3、4、5题