《电动机为什么会转动》教学设计

《电动机为什么会转动》教学设计一、教学内容分析本节课是电磁学部分的重要实践应用内容，旨在引导学生理解电动机的基本工作原理，并初步认识其构造与应用。在此之前，学生已学习了电流的磁效应（奥斯特实验）、磁场对通电导体的作用（安培力）等相关知识，为本节课的学习奠定了理论基础。电动机作为将电能转化为机械能的核心装置，其原理的探究不仅能深化学生对电与磁相互作用的理解，更能培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，感受物理学在技术进步中的核心价值。教学的重点在于揭示电动机转动的根本原因——磁场对通电线圈的作用，并理解换向器在维持线圈持续转动中的关键角色。二、学情分析授课对象为初中高年级或高中低年级学生。此阶段学生已具备一定的电学和磁学基础知识，对“电生磁”和“磁生电”（若已学）有初步概念。他们的抽象思维能力和逻辑推理能力正处于发展阶段，对具象的、与生活联系紧密的物理现象抱有较强的探究兴趣。然而，对于磁场这种看不见摸不着的物质，以及磁场对通电线圈这种非质点物体的作用力分析，仍存在一定困难。特别是线圈在磁场中受力的具体情况、转动过程中的受力变化以及换向器的作用，是学生理解的难点。部分学生可能会将电动机原理与发电机原理混淆，需要加以辨析。三、教学目标（一）知识与技能1.理解电动机是利用磁场对通电线圈的作用力而使其转动的原理。2.知道电动机的主要构造，能说出定子、转子、换向器的基本作用。3.能解释换向器如何使线圈持续转动。4.初步学会制作简单的电动机模型，培养动手实践能力。（二）过程与方法1.通过观察电动机的转动现象，提出关于其转动原因的猜想。2.经历探究磁场对通电线圈作用力的过程，体验科学探究的基本方法（观察、猜想、实验、分析、归纳）。3.通过对线圈在磁场中受力情况的分析，培养逻辑推理能力和空间想象能力。4.通过对比、讨论，理解换向器的必要性和工作机制。（三）情感态度与价值观1.通过探究电动机转动的奥秘，激发对物理学的好奇心和探究热情。2.认识到物理学原理在生产生活中的广泛应用，体会科学技术对社会发展的推动作用。3.在实验探究和模型制作过程中，培养实事求是的科学态度、合作与交流的意识。4.感受人类智慧在解决实际问题中的创造力，增强民族自豪感（可结合我国电动机发展成就适当拓展）。四、教学重点与难点教学重点：1.电动机的转动原理——磁场对通电线圈的作用。2.电动机的基本构造及其作用。教学难点：1.分析通电线圈在磁场中所受磁场力的方向，理解其转动的过程。2.换向器的构造及其使线圈持续转动的作用机理。五、教学方法讲授法、实验探究法、讨论法、多媒体辅助教学法、任务驱动法。六、教学准备（一）教师用具1.演示用直流电动机模型（可拆式，能展示内部结构，如定子、转子、换向器、电刷等）。2.小型直流电动机实物（带电源、开关、导线）。3.U形磁铁、蹄形磁铁若干。4.可绕轴转动的矩形线圈（用漆包线或粗铜丝制作，两端轴颈处理光滑）。5.电源（低压直流电源或电池组）。6.灵敏电流计（可选，用于对比电动机与发电机）。7.导线、开关、滑动变阻器。8.多媒体课件（PPT）：包含电动机应用实例、磁场对通电直导线作用的回顾、线圈在磁场中受力分析动画、换向器工作原理动画等。9.自制简易电动机的材料一套（用于教师演示制作）。（二）学生用具（分组实验）1.U形磁铁或蹄形磁铁（每组一个）。2.漆包线（用于绕制线圈）。3.两节干电池及电池盒。4.小铁钉或细铁丝（做支架）。5.圆规针尖或细轴（做转轴）。6.砂纸。7.导线、开关。8.（可选）自制电动机套件。七、教学过程（一）创设情境，引入新课（约5分钟）1.展示与提问：*教师展示日常生活中应用电动机的实例图片或短视频（如电风扇、洗衣机、电动车、工厂机床、玩具小车等），提问：“这些设备中都有一个核心部件，它能将电能‘神奇地’转化为我们需要的机械能，使物体运动起来，这个部件是什么？”（引导学生回答：电动机）*教师出示一个小型直流电动机，连接电源使其转动，提问：“同学们，看到电动机转动，你们想知道什么？”（引导学生提出问题，如“电动机为什么会转动？”“它里面是什么样子的？”“电是怎么让它转起来的？”等）2.明确课题：今天我们就带着这些问题，一起来探究“电动机为什么会转动”（板书课题）。（二）复习回顾，奠定基础（约5分钟）1.回顾旧知：*提问1：“我们之前学过，通电导体在磁场中会受到力的作用，这个力的方向与哪些因素有关？”（引导学生回顾：磁场方向和电流方向。可用左手定则辅助说明，但初中阶段可不深入强调定则本身，侧重方向关系）。*演示（或动画模拟）：一段直导线ab垂直放入U形磁铁的磁场中，通电后观察导体的运动方向；改变电流方向或磁场方向，观察导体运动方向的变化。2.过渡：“既然磁场对通电直导线有力的作用，那么，如果把一根导线绕成线圈，通入电流后放入磁场中，它又会怎样呢？这与电动机的转动是否有关呢？”（三）探究新知：电动机的转动原理（约20分钟）1.探究磁场对通电线圈的作用：*提出猜想：教师出示一个可绕固定轴自由转动的矩形线圈（线圈平面与磁场方向平行），提问：“如果我们把这个矩形线圈放在磁场中，并给它通上电流，它会运动吗？会怎样运动？”（引导学生猜想：可能会转动，可能会向一侧偏转等）。*实验探究：*教师将矩形线圈置于蹄形磁铁的磁场中（确保线圈平面与磁感线方向平行），用导线将线圈两端分别连接到电源的正负极（注意电流方向）。*学生观察现象：线圈会发生转动。*提问：“线圈转动到什么位置时，似乎会停下来？”（引导学生观察到线圈平面与磁感线垂直时，线圈处于平衡位置，转动最缓慢甚至静止）。*受力分析（难点突破）：*教师结合多媒体动画，引导学生分析矩形线圈在磁场中的受力情况。以线圈初始位置（ab边和cd边垂直于磁感线）为例：*ab边：电流方向从a到b，磁场方向从N极到S极，根据左手定则（或之前学的方向关系），ab边受力方向向外。*cd边：电流方向从c到d，磁场方向从N极到S极，cd边受力方向向内。*ad边和bc边：电流方向与磁场方向平行，不受力或受力很小可忽略。*动画演示：ab边和cd边受到一对方向相反、不在同一直线上的力（力偶），使线圈绕轴转动。*提问：“当线圈转动到平面与磁感线垂直的位置时，ab边和cd边受力有什么特点？”（引导学生发现此时ab边和cd边受力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，形成平衡力，线圈处于平衡状态，由于惯性可能会越过这个位置，但无法持续转动）。*引出问题：“线圈为什么不能持续转动下去呢？要让它持续转动，我们需要解决什么问题？”（引导学生思考：当线圈转过平衡位置后，若不改变电流方向或磁场方向，线圈受力方向会阻碍其继续转动）。2.探究换向器的作用（难点突破）：*提出问题：“如何才能让线圈在越过平衡位置后，所受磁场力的方向仍然能使其沿着原来的方向继续转动呢？”（引导学生思考：改变电流方向或改变磁场方向。改变磁场方向在实际应用中不方便，故考虑改变线圈中的电流方向）。*介绍换向器：*教师展示电动机模型中的换向器，说明其构造：由两个彼此绝缘的半铜环组成，分别与线圈的两端相连。*结合多媒体动画演示：当线圈转动时，换向器随线圈一起转动，而与换向器接触的电刷（通常是碳刷）固定不动。*模拟与分析：*教师用两个半圆环模拟换向器，演示其如何在线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。*动画分步展示：1.线圈在初始位置（平衡位置前），电流从电源正极→电刷A→换向器半环1→线圈ab边→cd边→换向器半环2→电刷B→电源负极。ab边受力向外，cd边受力向内，线圈顺时针转动。2.线圈转过平衡位置瞬间，换向器半环1与电刷B接触，半环2与电刷A接触。3.线圈转过平衡位置后，电流从电源正极→电刷A→换向器半环2→线圈cd边→ab边→换向器半环1→电刷B→电源负极。此时，ab边中的电流方向改变，受力方向变为向内；cd边中的电流方向也改变，受力方向变为向外。这个力仍然使线圈顺时针转动。*总结：换向器的作用是当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，从而改变线圈两边的受力方向，使线圈能够持续地转动下去。*学生讨论：“如果没有换向器，电动机还能持续转动吗？”（四）认识电动机的构造（约10分钟）1.观察与拆卸：教师展示可拆式电动机模型，逐步拆卸，让学生观察其内部构造。2.介绍主要部件及作用：*定子：电动机中固定不动的部分，通常是磁体（永磁体或电磁铁），提供磁场。*转子：电动机中能够转动的部分，主要是线圈（电枢），是电能转化为机械能的核心部件。*换向器：（已重点分析）装在转子轴上的两个半铜环，作用是改变通入线圈的电流方向。*电刷：通常由石墨制成，固定不动，与换向器接触，将电源的电流引入线圈。3.小结：电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，主要由定子、转子、换向器和电刷等组成。（五）动手实践：制作简易电动机（约15分钟，可根据课堂时间灵活调整，或作为课后作业）1.教师指导：教师简要介绍简易电动机的制作方法（如用漆包线绕制线圈，一端漆皮全部刮去，另一端只刮去半周作为简易“换向器”，用铁钉做支架，电池提供电源，磁铁提供磁场）。强调安全注意事项（如使用低压电源，避免短路）。2.学生分组制作：学生利用提供的材料分组合作，尝试制作一个能转动的简易电动机。教师巡视指导，帮助学生解决制作中遇到的问题（如线圈绕制、平衡调整、漆皮刮削、磁场方向与电流方向的配合等）。3.成果展示与交流：邀请制作成功的小组展示他们的电动机，并分享制作过程中的经验和心得。对未成功的小组给予鼓励和指导。4.讨论与改进：“你们的电动机转动是否平稳？哪些因素可能影响电动机的转动效果？”（如线圈匝数、电流大小、磁场强弱、线圈平衡、“换向器”刮削是否合适等）。（六）课堂小结与拓展延伸（约5分钟）1.课堂小结：*师生共同回顾本节课学习的主要内容：电动机的转动原理（磁场对通电线圈的作用）、主要构造（定子、转子、换向器、电刷）及各部分作用，特别是换向器的关键作用。*强调能量转化：电动机工作时，将电能转化为机械能。2.知识拓展：*提问：“我们今天研究的是直流电动机，那么生活中还有交流电动机，它们的原理是否完全相同？换向器是否是所有电动机都必需的？”（简要提及交流电动机的存在，为后续学习埋下伏笔，不展开）。*简述电动机的优点（效率高、污染小、控制方便等）及其在现代社会中的广泛应用（工业、交通、家电、航空航天等），强调其重要性。*（可选）简要介绍电动机的发明史，培养学生的科学精神。（七）布置作业（约2分钟）1.基础作业：完成教材课后相关练习，巩固电动机原理和构造的知识。2.拓展作业：*进一步改进课堂上制作的简易电动机，尝试让它转得更快、更平稳。*查阅资料，了解一下生活中不同类型的电动机（如步进电机、伺服电机）有什么特点和应用。*思考：电动机和发电机在构造上有相似之处，它们的工作原理有什么本质区别？（为下一节或复习课做准备）。八、板书设计电动机为什么会转动一、电动机的作用：将电能转化为机械能。二、电动机的转动原理：磁场对通电线圈有力的作用→线圈转动。（平衡位置：线圈平面与磁感线垂直，受力平衡）三、使线圈持续转动的关键：换向器*构造：两个彼此绝缘的半铜环。*作用：当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向→改变受力方向→持续转动。四、电动机的基本构造：*定子：固定部分，提供磁场（磁体）。*转子：转动部分，主要是线圈。*换向器、电刷。五、能量转化：电能→机械能（板书设计力求简洁明了，突出重点，配合课堂讲解和多媒体演示，动态呈现关键知识点。）九、教学反思（本部分在实际教学后填写）1.成功之处：例如，实验探