第4节 动手做-制作继电器教学设计高中物理鲁科版选修2-1-鲁科版2004

第4节动手做——制作继电器教学设计高中物理鲁科版选修2-1-鲁科版2004课题Xx课型XxXx修改日期2025年教具XxXx教材分析一、教材分析本节是鲁科版高中物理选修2-1第四章“电磁感应及其应用”的动手实践课，承上节“电磁铁”的理论基础，通过制作继电器模型，将电流磁效应、自动控制原理等知识转化为实际操作，深化对电磁继电器工作原理的理解，培养动手能力、电路设计与故障排查思维，体现“从理论到实践”的学科逻辑，契合课标对技术应用能力的要求。核心素养目标分析二、核心素养目标分析通过制作继电器模型，深化对电磁继电器工作原理（电流磁效应、电磁感应）的物理观念理解；在电路设计与故障排查中提升科学思维能力，培养逻辑推理与问题解决能力；通过动手操作、现象观察与分析，发展科学探究能力；在实践过程中养成严谨细致的科学态度，体会物理技术在自动控制中的应用价值，增强社会责任意识。学情分析三、学情分析本节授课对象为高中物理选修2-1学生，已具备电流的磁效应、电磁感应等理论基础，但对继电器的实际结构和工作原理理解仍停留在抽象层面。动手能力方面，学生存在明显差异：部分学生有电路连接经验，能独立完成简单组装；部分学生则因操作不规范、元件识别能力不足，易出现接线错误或故障。学习习惯上，多数学生乐于探究，但小组合作时易出现分工不明确、依赖他人现象，影响实践效率。此外，部分学生对“理论—实践—应用”的转化能力较弱，可能导致制作过程中难以将原理与操作对应，需教师加强针对性指导，强化规范操作训练，引导通过现象分析深化对继电器自动控制原理的理解。教学资源硬件资源：电磁继电器（含线圈、触点）、学生电源、导线、开关、小灯泡、电动机、螺丝刀、镊子、电烙铁（可选）、面包板；

软件资源：Multisim电路仿真软件、PPT课件（含继电器结构图、电路连接示意图）；

信息化资源：继电器工作原理微课视频、电路故障排查动画演示；

教学手段：教师实物演示、小组合作操作、电路故障现场指导、实验报告模板。教学流程：**1.导入新课（5分钟）**

教师展示家用电器的自动控制装置（如冰箱温控、电饭煲保温开关），提问：“这些装置如何实现‘自动通断电’？”引导学生回忆上节“电磁铁”知识（电流的磁效应），进而展示电磁继电器实物，提问：“电磁铁如何控制更大电路的通断？”通过生活实例与旧知衔接，引发学生对继电器工作原理的探究兴趣，明确本节课核心问题——继电器的结构及自动控制原理。

**2.新课讲授（15分钟）**

（1）**继电器的结构识别（5分钟）**

教师展示拆解的电磁继模型，结合课本图4-4-1，逐一介绍核心部件：电磁铁（线圈、铁芯）、衔铁（可动）、触点（常开、常闭、公共端）。举例：“常开触点初始断开，通电后吸合；常闭触点初始闭合，通电后断开。”学生对照实物标注各部件，明确“电磁铁控制衔铁，衔铁控制触点”的机械联动关系，突破“部件功能”这一基础重难点。

（2）**继电器的工作原理分析（5分钟）**

教师分步演示：①线圈未通电时，用万用表测常开触点断开、常闭触点闭合；②线圈通入低压直流电（6V），观察衔铁被吸合，触点状态变化（常开闭合、常闭断开）。结合板画分析电流路径：控制电路“电源→开关→线圈→电源”形成电磁效应，衔铁动作带动触点通断工作电路“电源→触点→用电器→电源”。举例：“若控制电路开关断开，工作电路小灯泡不亮；开关闭合，灯泡亮。”通过动态演示，突破“电磁→机械→电路”的能量转化原理这一核心难点。

（3）**继电器的实际应用（5分钟）**

教师展示课本图4-4-3水位报警器模型，分析工作流程：水位上升→金属片接通控制电路→继电器线圈通电→常开触点闭合→报警灯亮。提问：“若改为控制电动机，触点应如何连接？”引导学生明确“触点串联在工作电路中，通过通断状态控制用电器”，深化“原理→应用”的逻辑，体现物理技术的实用性。

**3.实践活动（15分钟）**

（1）**基础任务：组装简单继电器控制电路（5分钟）**

学生分组领取材料（继电器、学生电源、开关、小灯泡、导线），按照课本“动手做”步骤连接：控制电路接6V电源、开关和线圈；工作电路接3V电源、小灯泡和常开触点。教师巡视指导，重点纠正“线圈与工作电路电源混接”“触点接线错误”等问题，确保学生掌握规范电路连接，落实“动手操作”素养目标。

（2）**进阶任务：设计水位报警模拟电路（5分钟）**

在基础任务上，用两根导线模拟“水位传感器”（一端接继电器控制电路正极，另一端悬空），当导线接触（模拟水位上升）时，控制电路接通，小灯泡亮（报警）。学生记录现象并分析：“传感器如何将‘水位’转化为‘电路通断’？”引导理解“非电学量→电学量”的转换，突破“自动控制逻辑”这一难点。

（3）**拓展任务：故障排查与优化（5分钟）**

教师预设常见故障：①线圈接触不良（控制电路不通）；②触点氧化（工作电路电阻大，灯泡暗）；③衔铁被卡住（触点不动作）。学生分组用万用表检测故障点，举例：“测线圈电阻为无穷大，判断导线断开；测触点电阻偏大，用砂纸打磨氧化层。”通过问题解决，提升科学探究与故障分析能力。

**4.学生小组讨论（5分钟）**

（1）**继电器触点的选择逻辑**

问题：“水位报警器用常开触点，而有些自动关断装置用常闭触点，为什么？”举例回答：“常开触点‘断电→断’，适合‘异常时启动’（如水位高报警）；常闭触点‘断电→通’，适合‘异常时停止’（如电动机过热保护），需根据控制需求选择。”

（2）**控制电路电源的选择**

问题：“为何控制电路用低压直流电，而工作电路可用高压交流电？”举例回答：“低压直流电安全，保护线圈和操作人员；触点绝缘材料能隔离高低压，实现‘弱电控强电’，如工业控制中220V电动机用5V继电器控制。”

（3）**实践中的误差分析**

问题：“组装电路后，小灯泡亮度不稳定，可能原因是什么？”举例回答：“控制电路电源电压波动（如电池电量不足）、触点接触不良（螺丝松动）、衔铁振动（电磁力不稳定），需逐一排查并固定元件。”

**5.总结回顾（5分钟）**

教师引导学生梳理核心知识：结构（电磁铁、衔铁、触点）→原理（电流磁效应→衔铁动作→触点通断）→应用（自动控制、弱电控强电）。强调重难点：①“电磁→机械→电路”的能量转化是理解原理的关键；②实践中的规范操作（如触点接线）与故障排查是应用的基础。布置作业：设计一个“光控路灯”电路，画出电路图并说明继电器的作用，将课堂知识迁移到实际生活，深化核心素养。拓展与延伸：1.拓展阅读材料

（1）《电磁继电器技术发展与应用》

电磁继电器作为自动控制的核心元件，其发展历程体现了物理原理与工程技术的深度融合。早期继电器（19世纪）基于奥斯特电流磁效应设计，用于电报系统中的信号控制；20世纪中期，随着工业自动化需求，出现了具有多组触点的通用继电器，可同时控制多个电路；现代继电器向微型化、高可靠性发展，如汽车电子中使用的PCB继电器，体积仅为传统继电器的1/3，但承载电流可达40A，其触点材料采用银氧化锡合金，抗电弧能力提升10倍，寿命达10万次以上。教材中介绍的“水位报警器”正是利用继电器触点的通断特性，将水位这一非电学量转化为电信号，而工业中的压力继电器、温度继电器则进一步拓展了非电学量控制的场景，如空调系统中的温度继电器通过双金属片形变控制压缩机启停，实现恒温控制。

（2）《固态继电器与电磁继电器的性能对比》

固态继电器（SSR）采用半导体器件（如晶闸管、MOSFET）替代机械触点，无触点磨损、无火花，适用于高频开关场景（如工业机器人控制），但存在导通压降大（约1.2V）、发热需散热设计等问题。电磁继电器教材中强调的“弱电控强电”优势在固态继电器中同样存在，但后者响应速度更快（微秒级），而电磁继电器因衔铁机械动作，响应时间约10-100毫秒。例如，教材中“小灯泡控制电路”若使用固态继电器，可直接用3V控制信号驱动220V工作电路，无需考虑触点抖动；但若控制大功率电动机（如1.5kW），电磁继电器的触点间隙设计可避免电弧烧蚀，而固态继电器需增加RC吸收电路抑制电压尖峰，这体现了教材中“触点通断状态”在实际应用中的参数差异。

（3）《继电器在智能家居系统中的应用》

现代智能家居中，继电器模块是实现远程控制的关键。例如，智能插座通过Wi-Fi模块接收手机指令，控制继电器触点通断，实现家电定时开关；安防系统中的红外报警器，当检测到人体红外信号时，输出低电平触发继电器，联动声光报警。教材中“水位报警器”若增加无线传输模块（如NRF24L01），可将触点通断状态转化为无线信号发送至手机，实现远程监控。此外，继电器的“自锁”功能（通过常开触点与启动按钮并联）可实现设备持续运行，如电梯控制中的楼层指示灯，按下按钮后继电器吸合并自锁，直至到达目标楼层后断开，这深化了教材中“触点逻辑组合”的实际意义。

2.课后自主探究

（1）继电器参数对控制性能的影响

探究目标：验证继电器吸合电压、释放电压与控制电路的关系。

操作步骤：①使用学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表组成可调控制电路，连接继电器线圈；②调节电源电压，从0V逐渐升高，记录继电器触点刚好吸合（小灯泡亮起）时的电压（吸合电压）；③继续升高电压至额定值（6V），再逐渐降低电压，记录触点刚好断开（小灯泡熄灭）时的电压（释放电压）；④改变线圈匝数（如使用不同规格继电器），重复测量，比较参数差异。

分析方向：结合教材中“电流磁效应”，分析吸合电压与线圈匝数、铁芯材料的关系；讨论释放电压低于吸合电压的原因（剩磁影响），为理解继电器在电路中的稳定性提供依据。

（2）继电器在节能控制中的创新设计

探究目标：设计基于继电器的教室照明节能系统。

设计要求：①利用光敏电阻检测环境光照强度，当光照低于阈值时，继电器控制照明电路接通；②加入人体红外传感器，仅当有人存在时才允许继电器吸合；③若连续30分钟无人活动，继电器自动断开。

实施步骤：①搭建光敏电阻分压电路，输出信号接入继电器控制电路；②串联人体红外传感器模块（输出高电平有效）；③使用555定时器设计延时电路，控制继电器断电。

应用价值：将教材中“自动控制原理”拓展至实际节能场景，理解继电器在传感器网络中的信号转换作用，体会物理技术对社会发展的推动。

（3）继电器故障诊断与改进实践

探究目标：分析继电器常见故障原因并提出解决方案。

故障案例：①组装水位报警器时，触点接触不良导致灯泡闪烁；②长时间使用后，线圈通电但衔铁不吸合；③控制电路与工作电路短路。

诊断方法：①用万用表电阻档测触点电阻，若阻值忽大忽小，说明触点氧化或松动，可用砂纸打磨触点或调整衔铁复位弹簧；②测线圈电阻，若无穷大则线圈断路，检查引线焊接点；③用兆欧表测触点间绝缘电阻，若低于1MΩ则需更换绝缘材料。

改进方向：针对触点氧化问题，在教材“动手做”基础上增加触点保护电路（如并联RC吸收回路）；针对线圈过热问题，选择额定电压匹配的电源，避免长时间过载使用，深化教材中“安全用电”意识。Xx课后作业：1.继电器结构标注：在给出的继电器示意图中标注电磁铁、衔铁、常开触点、常闭触点的位置，并说明各部件在控制电路中的作用。

答案：电磁铁（线圈+铁芯）：通电磁化吸合衔铁；衔铁：受电磁力动作带动触点；常开触点：初始断开，通电后闭合；常闭触点：初始闭合，通电后断开。

2.原理分析题：如图所示，当开关S闭合时，工作电路中小灯泡L的亮灭情况如何？请结合继电器工作原理说明。

答案：S闭合，控制电路通电，电磁铁吸合衔铁，常开触点闭合，工作电路通路，小灯泡L亮。

3.应用设计题：利用继电器设计一个“高温报警器”，要求当温度达到60℃时，红灯亮。请画出电路图（需包含温度传感器、继电器、红灯、电源），并说明工作流程。

答案：电路图：控制电路接温度传感器（60℃时导通）、继电器线圈、电源；工作电路接电源、红灯、常开触点。流程：温度达60℃→传感器导通→线圈通电→触点闭合→红灯亮。

4.故障排查题：组装继电器控制电路时，发现开关闭合后小灯泡始终不亮，但线圈有轻微振动。可能原因是什么？如何解决？

答案：原因：触点氧化或接触不良；解决：用砂纸打磨触点表面，或调整衔铁位置确保触点完全闭合。

5.参数计算题：某继电器线圈电阻为30Ω，额定电压为6V。若控制电路电源电压为9V，应串联一个多大的电阻使线圈正常工作？

答案：线圈电流I=U/R=6V/30Ω=0.2A，需串联电阻R'=(9V-6V)/0.2A=15Ω。Xx作业布置与反馈：作业布置：1.绘制电磁继电器结构示意图，标注电磁铁、衔铁、常开触点、常闭触点，并简述各部件功能；2.设计一个“车门未关报警电路”，要求用继电器控制蜂鸣器，画出电路图并说明工作原理；3.完成继电器制作实验报告