【沪粤2024版】九下17.2电动机转动的原理 导学案

/ 让教学更有效 高效备课 | 物理学科
【学习目标】
1.能说出通电导体在磁场中会受到力的作用，并能准确描述该力的方向与电流方向、磁场方向之间的关系。
2.能解释电动机中换向器如何实现线圈持续转动，理解其在维持转动方向一致性中的关键作用。
3.科学探究：规范完成验证实验，分析线圈转动问题并提出解决方案；
4.感知技术发明（换向器）的价值，培养用物理知识解释科技的意识。
5.明确高铁动力核心是电动机“通电导体在磁场中受力”原理，知晓轨道材料的物理特性与化学组成的关联，建立“物理规律→技术应用”的认知链。
重点：1．通电导体在磁场中受力的规律（受力的存在性、力的方向与电流/磁场方向的关系）；
2．换向器的结构与核心作用（改变线圈电流方向，实现持续转动）；
3．直流电动机的工作原理（通电线圈受力转动+换向器持续换向）；
4．电动机的能量转化（电能→机械能）及典型应用。
难点：1．理解“平衡位置”的含义及线圈在平衡位置的运动特点；
2．换向器如何在关键时刻改变电流方向，使线圈越过平衡位置后持续转动；
3．受力方向与电流方向、磁场方向的双向关联。
【自主学习】
1．通电导体在磁场中_______受到磁场对它的作用力；力的方向跟_________的方向和导体中________的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。
2．通电线圈在磁场中会转动，但转到________________________位置时，线圈会停止转动，这个位置叫做__________位置。
3．为使线圈持续转动，电动机中安装了____________，其最简单的结构是由两个彼此___________的金属半圆环组成，作用是______________________。
4.直流电动机工作原理：通电导体在磁场中___________使线圈转动，同时通过_________及时改变线圈中的电流方向，以保持线圈的持续转动。
5．电动机工作时，将___________转化为________________，广泛应用于_____________________、高铁等设备中。
6.高铁原理：_________________________原理工作，将电能转化为机械能，驱动车厢运动就是电动机的工作原理。
【合作探究】
活动1：探究磁场中的通电导体受到的作用力
1.实验器材
金属轨道、磁铁、开关、电池、能够在轨道上滚动的金属杆，滑动变阻器。
2.实验方法：____________
探究受力方向时，分别控制磁场和电流方向不变，研究单一变量的影响
3.实验步骤
（1）按照下图连接电路，闭合开关，观察金属棒AB是否运动。
（2）移开蹄形磁铁，重复步骤，观察金属棒是否运动。
（3）保持磁场方向不变，对调电源正负极，即改变电流方向，再次接通电路，观察运动方向是否改变。
（4）恢复原电流方向，对调磁铁 N、S 极即改变磁场方向，再次接通电路，观察运动方向是否改变 。
（5）同时改变电流方向和磁场方向，再次接通电路，观察运动方向是否再次改变。
视频：通电导线在磁场中受力
4.实验结论：_________________________________________________________________________________________________________________________________
*注意事项
金属棒、导轨需保证良好导电，避免接触不良导致实验失败。
磁场方向保持不变时，才能通过电流方向的改变，明确二者对受力方向的影响关系
活动2：通电线圈在磁场中的运动
1.实验目的
探究线圈在磁场中的运动特点
2.实验器材
线圈模型、磁铁、电源、开关、导线
3.实验步骤以及实验现象
（1）按照下图连接电路，使线圈平面与磁感线平行，闭合开关，观察实验现象。
现象：如图所示通电线圈在磁场中两边受力，但方向相反，发生_________。
（2）观察当线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受力以及转动情况。
当线圈的平面与磁感线垂直时，通电线圈受________力作用，线圈来回摆动几次就停在该位置上了。
思考讨论：你能想出让线圈在磁场中持续转动的方法吗？
1.换向器
（1）组成：由___________铜环组成。
（2）作用：是在线圈转过____________时，自动改变线圈中的_______方向，使线圈能持续向__________转动。
电动机上的换向器
2.电刷
（1）通常是石墨材质，与________紧密接触。
（2）作用：是将外部电源的电流传导至__________的线圈，且能减小摩擦，保证电流传输稳定。
注意：电刷固定，半圆环随线圈转动
1.直流电动机工作原理
（a）
（a）线圈在初始位置，电流路径“电刷4→半环2→线圈→半环1→电刷3”，c边受力向上、a边受力向下，线圈____________。
（b）
（b）线圈转至平衡位置，电刷与半圆环绝缘部分接触，线圈_______、______，依靠惯性越过平衡位置；
（c）
（c）线圈越过平衡位置，半圆环随线圈转动，电流路径变为“电刷4→半环1→线圈→半环2→电刷3”，c边受力向下、a边受力向上，线圈___________转动。
直流电动机工作原理：通电导体在磁场中受到力的作用使________，同时通过换向器及时改变线圈中的____________，以保持线圈的持续转动。
2.典型应用
（1）动圈式扬声器
①结构：__________、线圈、振膜；
②原理：随声音变化的电流通过线圈，在_____________作用下线圈带动振膜振动发声。
③作用：把电信号转换成_________。
④原理：扬声器的线圈中通入随声音变化的电流时，线圈和与它相连的________也随之振动，于是扬声器就发出了声音。由于变化的电流在磁场中受到的力也是______，因此扬声器发出的声音也是变化的。
（2）磁电式电流仪表
原理：通电线圈在磁场中受到_________而偏转。
磁场对通电导体作用的应用十分广泛，电动玩具和机器人也用到这一原理。
拓展延伸
磁电式电流表结构
特点:电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。
②作用：把电信号转换成声信号。
③原理：扬声器的线圈中通入随声音变化的电流时，线圈和与它相连的振膜也随之振动，于是扬声器就发出了声音。由于变化的电流在磁场中受到的力也是变化的，因此扬声器发出的声音也是变化的。
STSE 不同功能的电动机
1.阅读课文说一说电动机的分类。
电动机分为直流电动机和交流电动机；直流电动机又分为步进电动机和直线电动机。
1.步进电动机的应用
摄像机
摄像机中的各种部件能灵活、精准地转动和移动，就是通过步进电动机来实现的。步进电动机还广泛应用于打印机、传真机、机器人等设备中。
2.直线电动机的应用
直线电动机是一种能沿着金属轨道做直线运动的感应电动机，磁浮列车上用的就是直线电动机。直线电动机还广泛应用于测量、激光焊接、激光切割等机械中。
复兴号动车组列车
2024年5月，京广高铁武汉至广州段，安全标准示范线建设拉通试验圆满成功，复兴号动车组列车最高试验时速达385公里，可常态化按时速350公里高标运行。
思考讨论：“贴地飞行”的高铁，还能更快吗？从科学角度看，高铁进一步提速需要突破哪些限制？提速后如何保障安全？
（一）方案制定与实施
1.高铁原理：_______________的原理工作，将电能转化为_______，驱动车厢运动就是电动机的工作原理。它的每节车厢配备小型电动机，多组电动机协同工作，总牵引力__________传统单个火车头，实现动力分散布局，提升高铁整体动力性能。
2.影响速度的因素
（1）电动机效率：电动机效率是指电功转化为_____________的比例，部分能量会损耗为热能，效率高低直接影响动力输出效果。
磁悬浮电机
思路：可利用超导材料减少________，降低电热__________，从而提升电动机效率，为提速提供动力支持。
（2）轨道结构和材料
轨道分为：________轨道和_______轨道。复兴号动车组通常运行在高速铁路上，其轨道结构主要采用无砟轨道具体结构由：垫层、底座、道床、轨枕、扣件、钢轨组成。
垫层：一般由级配碎石等材料组成
底座：通常为钢筋混凝土结构
道床：是无砟轨道的关键部分多采用钢筋混凝土板或道床板等结构形式
轨枕：一般采用混凝土轨枕钢轨
扣件：连接钢轨和轨枕，具有弹性
钢轨：材质为高强度、耐腐蚀的合金钢。采用长钢轨，通常每根长度达500米，通过无缝焊接技术连接。
（3）风阻
空气阻力（风阻）与速度的平方成正比，即f∝v ，速度翻倍时，风阻将增至原来的4倍，成为制约高铁提速的关键因素。
用小车模拟列车，通过改变车体形状（如加装流线型外壳）、调整接触面光滑程度，探究空气阻力、摩擦力对运动速度的影响。
3.研究方向选择
方案1：风阻与车身设计例如探究流线型车身对减小风阻的作用、
方案2：轨道材料的改进例如：分析新型材料提升轨道性能的可能性
（1）组长负责统筹协调，根据小组成员特长确定研究方向，可以参考上述方案，也可自行指定方案
（2）研究员通过书籍、网络等渠道搜集与研究方向相关的跨学科资料；
（3）分析员梳理资料中的物理及跨学科知识关联，提炼关键信息；记录员根据小组讨论结果撰写研究提纲，明确报告框架。
案例：轨道材料改进
1.实践任务：资料查询
明确查询任务：物理维度需获取新型轨道材料的压强耐受值、硬度系数等数据；
化学维度要了解新型合金的主要成分（如高锰钢合金的锰含量）及耐磨、耐高温等特性；
工程维度需搜集该材料在国内外高铁轨道中的实际应用案例（如某线路使用新型材料后轨道寿命提升数据）。
2.提供标准化记录模板
研究方向 轨道材料改进
物理知识 材料硬度与形变关系
跨学科知识 新型合金的化学稳定性
提速建议 可根据小组实际研究填入
（二）成果展示与交流
写出研究报告，在小组或班级与同学们交流。可以将有创新且具有可行性的建议提交有关部门参考。
【归纳整理】
1.通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力；力的方向跟磁场的方向和导体中电流的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。
2.核心原理：通电导体在磁场中受力转动。
3.换向器的作用
在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续向同一方向转动。
4.通电导体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。
5.应用实例：磁浮列车、摄像机、家电等。
【课堂练习】
1.如图所示，在直流电动机的工作过程中，“换向器”起到了关键的作用，它能在线圈刚转过平衡位置时就自动改变线圈中的__________ 。直流电动机工作时把电能转化为________ 和内能。
2.某同学进行了电动机的相关实验，如图所示。下列措施中不能增大电动机线圈的转速的是（ ）
A．向右移动滑动变阻器的滑片P B．换用磁性更强的磁体
C．增加电池的节数 D．将磁体N、S极对调
3.小明用如图所示的实验装置探究磁场对通电导线的作用，闭合开关，原本静止的直导线AB水平向右运动。要使直导线AB水平向左运动，下列措施可行的是（ ）
A．断开开关 B．将蹄形磁体的N、S极对调
C．换用磁性更强的蹄形磁体 D．将滑动变阻器的滑片P向右移动
【课后巩固】
1.通电导体在磁场中受到的力的方向跟哪些因素有关？
2.下.图是直流电动机的示意图，请在图上标出各部分的名称，并阐述各部分的作用。
3.如果模型电动机接通电源后不能运转，请你分析其中的原因可能有哪些。
4.下.图是用漆包线做的一个简易线圈，将其与金属支架接触部分的漆包线.上的绝缘漆刮去，然后将线圈放在支架上，支架两端和电池两极相接。通电后发现线圈不能转动,请分析原因，并给出解决方案。
1.如图所示的设备中利用磁场对电流的作用原理制成的是（ ）
A．电磁起重机 B．电铃
C．动圈式扬声器 D．电磁阀
2．如图为直流电动机的两个不同时刻的工作原理图，下列分析错误的是（ ）
A．导线ab中的电流在这两个时刻方向不同
B．导线ab在这两个时刻受到的磁场力方向相同
C．图甲中导线cd和图乙中导线ab受到的磁场力方向相同
D．由上往下看，线圈中电流均为顺时针方向
3．将一段裸铜导线弯成如图甲所示形状的线框，将它置于一节5号干电池上（线框上端的弯折处与正极接触良好），一块圆柱形强磁铁吸附在电池的负极，使铜导线框下面的两端，与磁铁表面保持良好接触，放手后线框就会开始转动，成为一个“简易电动机”，如图乙所示。关于该“简易电动机”，下列说法中正确的是（ ）
A．线框会转动是由于电荷间的相互作用
B．电路中的热功率等于线框旋转的机械功率
C．若线框下面只有一端导线与磁铁良好接触，则线框无法转动
D．若磁铁吸附在电池负极的是极，那么从上向下看，线框做逆时针转动
4.下图是一种动圈式扬声器的内部结构示意图。当线圈中有电流通过时，通电线圈在 中受到力的作用而运动；由于通过线圈的交变电流方向不断变化，线圈就不断来回运动，带动纸盆振动发声。若将线圈两端连接干电池，则该扬声器 （选填“会”或“不会”）持续发声。
5.如图为小明制作的直流电动机模型，闭合开关后，用手轻推一下线圈，线圈就会转动起来。
（1）将线圈一端引线的漆皮全部刮去，另一端引线的漆皮刮去半周，目的是使线圈能够 。
（2）可以通过改变 方向来改变线圈的转动方向。
（3）如果电池、开关、导线的连接和性能良好，闭合开关后，发现线圈只抖动了一下，并不转动。此时可进行的有效尝试是 、 。
6．课本上“通电导线在磁场中受力”的实验示意图如图甲所示，小明同学实际探究时在电路中连接了一个滑动变阻器（如图乙）。
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 向下 由a向 向左运动
3 向上 由向 向右运动
4 向下 由向 向右运动
（1）小明在电路中接入滑动变阻器的作用是 。
（2）比较 （填实验序号）两次实验，可以说明通电导线在磁场中的受力方向与电流方向有关。
（3）比较2、3两次实验，可以说明通电导线在磁场中的受力方向与 有关。
（4）小谦想在图甲的基础上对实验进行改造，探究影响感应电流方向的因素。为了观察到明显的实验现象，他要把图甲中的电源换成图丙中的 。
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
答案：1.会 磁场 电流2.线圈平面与磁感线垂直 平衡 3. 换向器 绝缘 在线圈刚越过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向4. 受到力的作用 换向器5.电能 机械能 电动自行车 电风扇 6.通电导体在磁场中受到力的作用的。
【合作探究】
探究点一：
答案：活动1
2.控制变量法
4.通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力；力的方向跟磁场的方向和导体中电流的方向都有关系。若两者同时反向，受力方向不变。
活动2
3（1）顺时针转动（2）平衡
思考讨论参考答案
方法一：如果在线圈越过平衡位置后停止对线圈供电，由于惯性，线圈会继续转动。转动半周后再继续供电，线圈就可以持续转下去了。
方法二：如果在线圈转动的后半周，设法改变后半周的电流方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈就可以持续转下去了。
探究点二：
答案：1.（1）两个半圆形（2）平衡位置 电流 同一方向 2.（1）换向器（2）转动
探究点三：
答案：1.（a）逆时针转动（b）无电流 不受力（c）持续逆时针 线圈转动 电流方向
2（1）.永磁体 磁场力 声信号 振膜 变化的（2）安培力
探究点四：
答案:1.通电导体在磁场中受到力的作用 机械能 远大于2.（1）机械能 电阻 损耗（2）有砟
无砟
【课堂练习】
1.【答案】电流方向 机械能
【详解】[1]直流电动机的换向器，作用是在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，这样能让线圈持续地转动下去。
[2]直流电动机工作时，会把电能主要转化为机械能，同时因为线圈存在电阻，会产生少量内能。
2.【答案】D
【详解】电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，即通电导体在磁场中受到力的作用；
A．向右移动滑动变阻器滑片P，滑动变阻器接入电路的电阻减小，电路中的电流增大，线圈受到的作用力增大，线圈转速提高，故A不符合题意；
B．换用磁性更强的磁体，可以增大线圈受力，提高线圈转速，故B不符合题意；
C．增加电池的节数，可以增大电压，从而使电流增大，可以增大线圈受力，提高线圈转速，故C不符合题意；
D．将N、S极对调，可以改变转动方向，不能改变转速，故D符合题意。
故选D。
3.【答案】B
【详解】闭合开关，原本静止的直导线AB水平向右运动。要使直导线AB水平向左运动，可以将蹄形磁体的N、S极对调，改变磁场方向或者将电源的正、负极对调，改变电流方向，改变通电导体的受力方向，故ACD不符合题意，B符合题意。
故选B。
【课后巩固】
基础练习
1. 答：通电导体在磁场中要受到力的作用，其方向与电流方向和磁场方向有关，当改变其中一个方向时，导体受力作用方向将改变，若两个方向都改变时，导体的受力方向将不改变。
2.答案：
磁体：提供磁场，是线圈受力转动的前提条件；永磁体可直接提供磁场，电磁铁则能通过调节电流强弱改变磁场强度。
线圈：通入电流后，在磁场中受到安培力作用而转动，是电动机的受力与做功部件。
换向器：由两个半圆形铜环组成，作用是在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续向同一方向转动。
电刷：通常是石墨材质，与换向器紧密接触，作用是将外部电源的电流传导至转动的线圈，且能减小摩擦，保证电流传输稳定。
3.答案：电动机模型通电后不能转动，则发生故障的原因可能是：线圈此时可能处在平衡位置，磁铁可能失去磁性或磁性减弱，换向器中电刷、铜半环之间可能接触不良等。
4.答案:原因：①线圈与支架接触不良，导致电流无法通过线圈；
②线圈的初始位置可能处于磁场的平衡点，导致线圈没有受到转动力矩；
③漆包线刮除不彻底，导致接触不良；
④电池电压不足，导致通过线圈的电流太小，产生的磁场不足以使线圈转动。
解决方案：①重新检查并确保线圈与支架接触的部分漆包线已经完全刮除，接触点干净且接触良好。
②调整线圈的平衡，确保线圈在支架上放置平稳。
③轻轻转动线圈，改变其初始位置，确保线圈的平面与外部磁场不平行。
④检查电池电压是否足够，如果电池电压过低，可以更换新的电池。
能力提升
1.【答案】C
【详解】A．电磁起重机，利用电流的磁效应工作，故A不符合题意；
B．电铃内部有一个电磁铁，利用了电流的磁效应，故B不符合题意；
C．动圈式扬声器工作时，线圈中有电流通过，在磁场中受到力的作用而振动，进而带动纸盆发声，利用了磁场对电流的作用原理，故C符合题意；
D．电磁阀主要依靠“电磁铁的磁性即电流的磁效应”来控制阀门开关，故D不符合题意。
故选C。
2.【答案】B
【详解】A．直流电动机中，换向器的作用是改变线圈中的电流方向，从图中可以看出，甲、乙两个时刻线圈的位置不同，换向器改变了电流方向，所以导线ab中的电流在这两个时刻方向不同，故A正确，不符合题意；
B．在甲图中，导线ab中的电流方向是从b到a；在乙图中，导线ab中的电流方向是从a到b，而磁场方向相同。所以导线ab在这两个时刻受到的磁场力方向不同，故B错误，符合题意；
C．在甲图中，导线cd中的电流方向是从d到c；在乙图中，导线ab中的电流方向是从a到b，两者电流方向一致，所处磁场的方向也相同，所以甲中导线cd和图乙中导线ab受到的磁场力方向相同，故C正确，不符合题意；
D．由图可知，甲中电流方向为dcba，乙中电流方向为abcd，从上方往下看，线圈中电流均为顺时针方向，故D正确，不符合题意。
故选B。
3.【答案】D
【详解】A．通电导体在磁场中会受到力的作用，所以线框会转动是由于受到磁场力的作用，故A错误；
B．本题模型为简易电动机，电动机将电能主要转化为机械能，极少部分转化为内能，所以电路中的热功率小于线框旋转的机械功率，故B错误；
C．如果线框下面只有一端导线与磁铁良好接触，与磁铁接触良好的一侧的线圈有电流通过，受到安培力作用，仍然能使线框转动，故C错误；
D．如果磁铁吸附在电池负极的是S极，磁铁下端为N极，则外部磁感线由N极出发，回到S极并指向线框轴，电流方向沿线框由正极流向负极，根据左手定则，左侧线框受力方向向外，右侧线框受力方向向内，从上向下看，线框将做逆时针转动，故D正确；
故选D。
4.【答案】磁场 不会
【详解】[1]由图知线圈安装在永磁体的磁场中，当线圈中有电流通过时，通电线圈在磁场中受到力的作用，因而运动。
[2]要使扬声器持续发声，应该使通过线圈的交变电流方向不断变化，线圈才能不断来回运动，带动纸盆振动。若将线圈两端连接干电池，线圈只能单方向运动，故该扬声器不会持续发声。
5.【答案】(1)持续转动(2)电流/磁场(3) 增大电路中的电流 换用磁性更强的磁体
【详解】（1）将线圈一端引线的漆皮全部刮去，另一端引线的漆皮刮去半周，这样在转动过程中，当刮去半周漆皮的部分与支架接触时，电路导通，线圈受力转动；当这部分转过，没有漆皮的部分与支架接触时，电路断开，线圈由于惯性继续转动，如此反复，目的是使线圈能够持续转动。
（2）要改变线圈的转动方向，就要改变线圈的受力方向，而线圈的受力方向由磁场方向和电流方向来决定，因此可改变电流方向或磁场方向来改变线圈的转动方向。
（3）[1][2]线圈只抖动了一下，并不转动，可能线圈受力不足，增大电路中的电流可增大线圈受力，换用磁性更强的磁体也可增大线圈受力，两者均能使线圈获得足够的力转动起来。
6.【答案】(1)保护电路(2)2、4(3)磁场方向(4)灵敏电流计
【详解】（1）滑动变阻器通过改变电阻的大小，能起到保护电路的作用，防止电源被短路。
（2）比较实验2、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。
（3）比较实验2、3，电流方向相同，磁场方向不同，导体运动方向不同，说明通电导线在磁场中受力方向与磁场方向有关。
（4）探究影响感应电流方向的因素，为了观察到明显的实验现象，需要用灵敏电流计代替电源来显示产生感应电流的方向。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)