【沪粤2024版】九下17.3 发电机发电的原理 核心素养教学设计

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《17.3 发电机发电的原理》教学设计
课题 3. 发电机发电的原理 单元 17 学科 物理 年级 九下
教材分析 本课是九年级下册第十七章“电动机与发电机”中的核心内容之一，承接前文电动机的工作原理，从“电生磁”转向“磁生电”，构建完整的电磁知识体系。教材以“发电机为什么能发电”为驱动问题，通过手摇发电机实验、拆解探究、电磁感应现象实验等层层递进的活动设计，引导学生自主发现电磁感应规律。内容涵盖发电机结构、工作原理、法拉第发现史及生活应用，体现科学探究与人文精神的融合，是培养学生科学思维、科学探究能力的关键载体。
2022新课标要求 1. 了解交流发电机的简单构造和工作原理。2. 用模型法理解发电机发电的过程。3. 通过实验探究产生感应电流的条件及感应电流的方向与哪些因素有关。4. 通过实验探究，培养交流与合作意识，提高动手能力。
学习目标与核心素养 1.科学观念：掌握电磁感应现象的条件及感应电流方向的影响因素，理解发电机工作原理及交流电特点；2.科学思维：用实验归纳电磁感应规律，建立 “磁生电” 的认知，区分交流电与直流电；3.科学探究：规范完成电磁感应实验，分析实验现象并推导结论；4.科学态度与责任：了解法拉第的探究历程，感受逆向思维的价值，培养对科学探索的兴趣。
学情分析 九年级学生已掌握电流的磁效应、通电导体在磁场中受力运动等基础知识，具备一定的实验操作能力和抽象思维能力。但对“磁如何生电”的逆向思维仍存在认知盲区，易将“切割磁感线”误解为“只要运动就一定有电”。部分学生对实验器材不熟悉，动手能力参差不齐。需通过直观演示、分组合作、情境任务等方式激发兴趣，突破“闭合回路”“相对运动”“切割磁感线”等关键概念的理解障碍，借助故事线增强学习代入感。
重点 1. 理解发电机发电的本质是电磁感应现象；2. 掌握产生感应电流的必要条件。
难点 1. 理解“切割磁感线”的含义，区分“运动”与“切割”的本质区别；2. 理清电流方向与磁场方向、导体运动方向之间的关系，理解感应电流方向的可变性。
材料准备 手摇发电机模型、条形磁铁、灵敏电流计、导线、开关、支架、多媒体课件
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入城市夜景现代社会离不开电，那么，你知道电来自哪里吗？电厂是如何发电的呢？发电机发电的原理又是什么呢？今天我们通过学习来了解这些问题。 观看图片思考问题 引起学生学习的兴趣
讲授新课 一、认识发电机活动1：让我们自己来发电1.实验目的（1）了解手摇发电机的构造。（2）观察发电机的转速对发光二极管发光亮度的影响。（3）检验手摇发电机产生的电流方向是否会发生变化。2.实验器材手摇发电机模型、发光二极管、导线若干、螺丝刀。3.实验步骤（1）把两个发光二极管极性相反地并联起来，并与发电机串联，使电刷处于换向器的中间位置，使换向器接入电路，不转动转轮时观察二极管的发光情况。（2）沿顺时针方向匀速转动转轮，观察二极管的发光情况。（3）加快转动速度观察二极管的发光情况。（4）沿逆时针方向匀速转动转轮，然后加快转动观察观察二极管的发光情况（5）将电刷移至换向器的前部和后部，使换向器不接入电路，转动转轮观察现象。视频：手摇发电机发电（3）实验现象 换向器转动转轮情况二极管的发光情况接入电路不转动都不发光沿顺时针先匀速后加速转动绿色二极管不发光，红色二极管越来越亮。沿逆时针先匀速后加速转动红色二极管不发光，绿色二极管越来越亮。不接入电路转动转轮红色二极管和绿色二极管交替发光（4）实验结论①发电机的转速越快，二极管越亮，说明电流大小与线圈转动速度有关，转动越快，电流越大。②二极管交替发光，说明手摇发电机产生的电流方向发生了周期性变化。二、电磁感应现象必做实验：探究导体在磁场中产生感应电流的条件（1）实验目的探究导体在磁场中产生感应电流的条件以及电流的方向与哪些因素有关。（2）实验器材单根导线/线圈、蹄形磁铁、灵敏电流计、导线若干；探究导体在磁场中产生感应电流的实验装置（一）（3）实验步骤①将线圈用细导线悬挂起来，并与灵敏电流计、开关串联组成闭合电路；②让线圈静止在蹄形磁铁的磁场中，观察灵敏电流计指针是否偏转；③让线圈的一边在磁场中做切割磁感线运动，垂直于磁感线前后/左右运动，观察指针是否偏转；④让线圈的一边平行于磁感线运动，观察指针是否偏转；⑤保持导体运动方向不变，交换磁极位置，观察灵敏电流计指针偏转情况。视频：探究导体在磁场中产生感应电流的条件（5）实验记录磁极方向导体棒的运动电流计是否偏转上S下N静止、前后、上下运动不偏转左右、左右斜向运动偏转上N下S左右、左右斜向运动偏转方向不同（6）实验结论①产生感应电流的条件：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动。②影响感应电流方向的因素：磁场的方向、导体运动的方向。2.电磁感应现象闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。这种由于导体在磁场中运动而产生电流的现象叫电磁感应，产生的电流叫作感应电流。 探究导体在磁场中产生感应电流的实验装置（二）补充实验：按教材图 用线圈和条形磁铁实验（快速插入 / 拔出磁铁，线圈切割磁感线，指针偏转），验证结论的普遍性。视频：探究导体在磁场中产生感应电流的条件知识拓展右手定则用右手判断感应电流的方向伸开右手，使大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，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。思考1：如果导体不动，移动 U 形磁体，导体中能产生电流吗？为什么？答案：能导体不动，移动蹄形磁体，导体同样能做切割磁感线运动，所以导体中也能产生感应电流。思考2：在上述实验过程中，能量是如何转化的？答案：机械能转化为电能。三、发电机的工作原理1.工作原理：发电机是根据电磁感应原理制造的，如图所示矩形线圈可绕轴转动，当线圈转动时，其AB、CD边就做切割磁感线的运动，电路中就有感应电流产生，灵敏电流计的指针就会偏转。2.交流发电机发电原理示意图（a）线圈转至图中位置时，线圈不切割磁感线，电路中没有电流（b）线圈从图（a）位置匀速转至图（b）位置的过程中，AB、CD边均切割磁感线，线圈中产生逐渐增大的感应电流。从灵敏电流计指针的偏转方向可知，电流方向如图所示，且在此位置时，电流最大（c）线圈从图（b）位置匀速转至图（c）位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，且逐渐减小。当到达此图位置时，线圈不切割磁感线，电路中电流消失（d）线圈由图（c）位置匀速转至图（d）位置的过程中，线圈切割磁感线，线圈中有感应电流，且逐渐增至最大，电流的方向如图所示循环往复：线圈转动一周，感应电流的大小和方向完成一次周期性变化。视频：发电机原理2.按输出电流类型的分类（1）直流发电机方向不变，大小可变化的电流叫直流电，直流发电机结构复杂需换向器，多用于电池充电、小型设备；（2）交流发电机周期性改变大小和方向的电流叫交流电，交流发电机结构简单、效率高，是电网供电、工业/家用的绝对主力。3.实际发电机的结构（1）核心部件：仍是磁体与线圈。它的磁体是转动的电磁铁，线圈嵌在由硅钢片制成的槽中。（2）动力来源：由水轮机、汽轮机或内燃机带动转子转动，实现机械能向电能的转化；（3）输出电流：通常为交流电，电压较高。发电机的结构白鹤滩水电站正在安装的 10 号机组转子图片汽轮机利用蒸汽流驱动发电机转子转动的图片4.发电机与电动机的比较种类构造工作原理能量转化电动机都是由转子和定子两部分组成。利用通电线圈在磁场里转动的原理。消耗电能而输出机械能。发电机利用电磁感应原理。消耗机械能而输出电能。5.电磁感应现象的应用生活中常用的一种动圈式话筒、变压器、手机无线充电器、电磁炉都是应用电磁感应原理制成的。动圈式话筒 变压器6.发电机与能量转化发电机是一种把其他形式的能转化成电能的装置。火力发电是将燃料的化学能转化为电能水力发电是将水的机械能转化为电能风力发电是将风的机械能转化为电能核能发电是将核能转化为电能另外还有潮汐发电、太阳能发电、地热发电等视频：电磁学之父法拉第 小组合作拆解发电机。尝试不同速度、方向摇动手柄观察记录实验现象归纳实验结论聆听实验目的，步骤，了解实验器材观察实验现象并记录，并总结实验结论观看实验视频学生思考讨论回答跟随教师讲解记录线圈四个关键位置的状态变化。了解直流发电机和交流发电机阅读课文了解实际发电机的结构在老师的引导下学生完成表格了解电磁感应现象的应用以及发电机与能量转化 了解发电机的内部结构锻炼学生的观察能力以及动手操作能力锻炼学生的归纳总结能力为实验的顺利进行打下基础让学生亲历“提出问题—作出假设—设计实验—收集证据—得出结论”的完整科学探究过程。通过控制变量法，帮助学生精准把握“切割磁感线”这一核心概念。让学生了解探究导体在磁场中产生感应电流的实验装置（二）加深学生对实验的理解通过图文结合与视频演示，将抽象的电磁感应过程具象化；引导学生从静态图示走向动态思维，逐步建立“位置—运动—电流”三者之间的因果关系；渗透工程思维，体现科技发展中的改进逻辑。理解交流发电机中感应电流方向随线圈转动而周期性改变的原因拓展学生的知识面，锻炼学生的自主学习能力对发电机与电动机的区别有清晰地理解拓展学生的知识面
课堂练习 1.如图所示，当导体棒ab_________（选填“上下”或“左右”）移动时，灵敏电流计的指针会发生偏转，这是因为闭合电路的一部分导体在磁场中做______________ 运动，导体中就会产生电流。【答案】左右 切割磁感线【详解】[1] [2]根据电磁感应现象可知，当闭合电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动时产生感应电流，因此磁铁不动、闭合开关，导体棒沿左右方向运动时，导体做切割磁感线运动，会产生感应电流，电流表指针会发生偏转。2.下列四种情况中，能产生感应电流的是（ ）A．闭合电路的整根导线在磁场中切割磁感线 B．断开电路的一部分导体在磁场中切割磁感线C．闭合电路的一部分导体在磁场中静止 D．闭合电路的一部分导体在磁场中斜向切割磁感线【答案】D【解析】A缺少“一部分导体”条件，B缺少“电路闭合”条件，C缺少“切割磁感线运动”条件，均不满足感应电流产生的必要条件；D符合三个条件，D正确。3.如图所示，放在磁场中的矩形线圈ABCD自图示位置（即线圈平面垂直于磁感应线的位置）开始绕轴沿逆时针匀速转动，下列说法中正确的是（　　）A．线圈在磁场中转动过程中不受磁场力的作用B．线圈在转动的前半周中，线圈中的电流方向不变C．线圈在转动的过程中，每时每刻都有感应电流产生D．线圈在转动的过程中，AB、BC、CD及AD边都不停地切割磁感线【答案】B【解析】A．在磁场中的矩形线圈ABCD自图示位置（即线圈平面垂直于磁感应线的位置）开始绕轴沿逆时针匀速转动，线圈在磁场中转动过程中线圈切割磁感线，产生感应电流，电流在磁场中受磁场力的作用，故A错误；B．线圈在转动的前半周中，磁场方向不变，切割磁感线的运动方向不变，线圈中产生的电流方向不变，故B正确；C．线圈在转动的过程中，当线圈处在其平面垂直于磁感应线的位置时，运动方向与磁场方向平行，线圈没有切割磁感应线，此时没有感应电流产生，故C错误；D．线圈在转动的过程中，BC、AD边没有切割磁感线，故D错误。故选B。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 1.发电机主要构造：发电机主要由定子（不动部分）和转子（转动部分）组成。2.闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中产生感应电流；感应电流的方向与磁场的方向和导体运动的方向皆有关。3 发电机的工作原理：发电机是根据电磁感应原理制造的。发电机是一种把其他形式的能转化成电能的装置。 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解
板书 一、认识发电机1.产生感应电流的条件：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动。②影响感应电流方向的因素：磁场的方向、导体运动的方向。二、电磁感应现象2.电磁感应现象由于导体在磁场中运动而产生电流的现象叫电磁感应现象，产生的电流叫作感应电流。三、发电机的工作原理1.工作原理：发电机是根据电磁感应原理制造的。2.线圈转动一周，感应电流的大小和方向完成一次周期性变化。 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 《电磁感应的“前世今生”》：聚焦法拉第发现电磁感应的关键实验，用通俗语言解释“磁生电”的最初探索，明确感应电流产生的直观场景——导体在磁场中运动或磁场发生变化，帮助建立基础认知。科普书籍：《电的旅程》（聚焦发电机发明史，法拉第的实验故事）、《能源动力科普手册》（发电机在能源系统中的角色）。
特色资源分析和技术手段说明 实物资源：小型手摇发电机；发电机工作视频，用电流传感器连接手摇发电机，通过数据采集器在电脑上显示电流波形（交流为正弦波、直流为平稳波形），量化实验结果初中物理视频《感应电流的产生》以及实物图的展示
教学反思 通过课外阅读关联生活实例，结合简易实验和动画资源，能降低“感应电流条件”的抽象性，让学生从“直观感受”到“理性认知”逐步过渡，符合初中生的认知规律。学生是知识的主动建构者，学生对所探究问题的热情程度及在探究过程中所表现出来的精神状态和情绪，直接影响教学的效果。利用实验巧妙设置悬念，引出问题，从心理学的角度吸引了学生的注意，使学生产生问题意识，并极力渴望知道其中的缘由，从而使学生产生了强烈的求知欲和对探究的热情，为以下的探究教学做好铺垫，提高了课堂教学的效率。在探究问题的生成，探究方案的设计，探究行动的开展，探究结果的构建上，围绕学生知识的自主建构这一核心来展开，体现了探究式学习的本质。学生是知识的主动建构者，学生对所探究问题的热情程度及在探究过程中所表现出来的精神状态和情绪，部分学生对“切割磁感线”的空间运动理解模糊，虚拟仿真的互动性不足；对发电机与电动机的区别仍有混淆，缺乏对比性实操。
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