(共48张PPT)
电动机转动的原理
第二节
第十七章 电动机与发电机
（沪粤版）九年级
下
01
课标解读
02
学习目标
03
激趣导入
04
实验探究
05
归纳总结
06
分析讨论
07
新知探究
11
作业布置
10
课堂小结
09
练习与应用
08
拓展延伸
课标解读
1.结合实例，了解电动机的工作原理。
2.通过实验，探究通电导体在磁场中受到力的作用，知道力的方向与电流方向、磁场方向的关系。
3.了解换向器在电动机中的作用。
4.明确高铁动力核心是电动机通电导体在磁场中受力的原理。
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。
激趣导入
上节课我们拆开电动机，发现它由定子和转子组成，进而猜想：电动机转动可能是磁场对通电线圈有力的作用。
今天，我们就来探究磁场中的通电导体受到的作用力。
一、探究磁场中的通电导体受到的作用力
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。
实验探究
实验探究
2.实验方法：控制变量法
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）按照右图连接电路，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。
实验探究
视频：通电导线在磁场中受力
实验探究
归纳总结
4.实验结论：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。
*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。
通电线圈在磁场中的运动
活动2
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
（a）
实验探究
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。
（a）
现象：如图所示通电线圈在磁场中两边受力，但方向相反，发生顺时针转动。
实验探究
（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，通电线圈受平衡力作用，线圈来回摆动几次就停在该位置上了。
实验探究
视频：线圈不能连续转动
实验探究
分析讨论
思考：你能想出让线圈在磁场中持续转动的方法吗？
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。
新知探究
二、换向器的作用
换向器
电刷
磁体
线圈
1.换向器
（1）组成：由两个半圆形铜环组成。
（2）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。
电动机上的换向器
新知探究
2.电刷
（1）通常是石墨材质，与换向器紧密接触。
（2）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。
换向器
电刷
注意：电刷固定，半圆环随线圈转动
新知探究
1.直流电动机工作原理
（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，线圈逆时针转动。
三、电动机的工作原理
（a）
新知探究
（b）线圈转至平衡位置，电刷与半圆环绝缘部分接触，线圈无电流、不受力，依靠惯性越过平衡位置；
（b）
新知探究
（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，线圈持续逆时针转动。
（c）
新知探究
视频：直流电动机工作原理
归纳总结
直流电动机工作原理：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。
新知探究
（1）动圈式扬声器
①结构：永磁体、线圈、振膜；
②原理：随声音变化的电流通过线圈，在磁场力作用下线圈带动振膜振动发声。
永磁体
线圈
振膜
2.典型应用
新知探究
③作用：把电信号转换成声信号。
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。
永磁体
线圈
振膜
新知探究
磁电式电流仪表
线圈
极
靴
螺旋
弹簧
（2）磁电式电流仪表
原理：通电线圈在磁场中受到安培力而偏转。
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。
指针
蹄形磁铁
圆柱形铁芯
螺旋形弹簧
拓展延伸
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
直流电动机
交流电动机
步进电动机
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。
拓展延伸
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。
拓展延伸
新知探究
跨学科实践 高铁提速的可行性分析
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。
复兴号动车组列车
思考讨论
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？
新知探究
（一）方案制定与实施
1.高铁原理：通电导体在磁场中受到力的作用的原理工作，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。它的每节车厢配备小型电动机，多组电动机协同工作，总牵引力远大于传统单个火车头，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机械能的比例，部分能量会损耗为热能，效率高低直接影响动力输出效果。
思路：可利用超导材料减少电阻，降低电热损耗，从而提升电动机效率，为提速提供动力支持。
新知探究
磁悬浮电机
新知探究
（2）轨道结构和材料
轨道分为：有砟轨道和无砟轨道。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。
新知探究
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。
视频:高铁轨道
新知探究
（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。
新知探究
新知探究
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）。
新知探究
新知探究
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
新知探究
（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。
练习与应用
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。
电流方向
机械能
练习与应用
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
D
练习与应用
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
B
课堂小结
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。
作业布置
1.完成课后巩固练习
2.写出研究报告。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine
