第19期电生磁电磁铁电磁继电器（答案见下期）-九年级（中考）物理（人教版）

初中三年级物理《电生磁、电磁铁与电磁继电器》单元教学设计

  一、课标与单元内容深度解析

  本教学设计所依据的《义务教育物理课程标准（2022年版）》中，涉及“能量”主题下的“电磁能”部分，具体内容要求为：通过实验，了解电流周围存在磁场。探究并了解通电螺线管外部磁场的方向。了解电磁铁在生产生活中的应用。通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，并知道力的方向与电流及磁场的方向都有关系。了解动圈式扬声器的结构和原理。电磁继电器作为电磁铁的具体应用实例，属于“了解”层次，但其背后所蕴含的“通过弱电流电路控制强电流电路”、“自动控制与远程控制”的思想，是培养学生工程思维与社会责任感的绝佳载体。

  从学科本体知识结构看，“电生磁”现象（奥斯特实验）是连接电学与磁学的桥梁，打破了此前学生对电与磁孤立的认识，是构建电磁统一观念的逻辑起点。通电螺线管磁场的探究，是定性认识向定量建模过渡的关键一步，其右手螺旋定则（安培定则）的应用，强化了物理模型与空间想象能力。电磁铁是对通电螺线管的工程化优化，其磁性强弱可控、有无可控的特性，体现了“结构决定性质，性质服务于功能”的工程设计思想。电磁继电器则是电磁铁功能的典型应用与扩展，它将电路控制逻辑从直接的机械开关发展为间接的电信号控制，是理解现代自动控制、通信技术乃至计算机逻辑电路的微观基础与启蒙。

  本单元内容处于初中物理电磁学部分的核心枢纽位置。向前承接了磁场的基本概念、磁感线模型，向后直接通向“磁场对电流的作用”（电动机原理）和“磁生电”（发电机原理）。因此，本单元的教学不仅在于传授具体知识，更在于帮助学生构建起“电与磁相互联系、相互转化”的初步世界观，并体验从科学发现（奥斯特实验）到技术发明（电磁铁），再到工程应用（电磁继电器）的完整创新链条。这要求教学设计必须超越零散的实验观察和结论记忆，转而设计一条贯穿始终的探究主线和一个富有挑战性的驱动性任务。

  二、学情分析与教学挑战研判

  教学对象为初中三年级学生。经过两年的物理学习，他们已具备一定的科学探究能力，如初步的观察、比较、归纳能力，能完成简单的控制变量实验。在知识储备上，学生已经系统学习了电路的基本知识（电流、电压、电阻、欧姆定律）、磁体的基本性质（磁性、磁极、磁场、磁感线）。然而，将电与磁主动联系起来思考的意识尚未建立，对磁场的空间分布理解仍较为抽象。

  主要学习困难与挑战预计存在于以下方面：第一，对“电生磁”现象感到新奇但理解不深，容易将其视为一个孤立的结论。第二，运用安培定则判断通电螺线管磁场方向时，需要较强的空间想象与立体图形到平面示意图的转换能力，这是学生思维上的一个难点。第三，在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，虽然能说出“电流大小、线圈匝数”等变量，但在实验设计中如何精确控制变量（如如何改变并测量电流、如何保持匝数变化时线圈长度与紧密程度一致）、如何定量或半定量地表征磁性强弱（转换法的应用），存在操作与思维上的双重障碍。第四，理解电磁继电器的工作原理时，容易混淆控制电路和工作电路，对其“开关”本质及“低压控高压、弱电控强电、自动控制”的价值体会不深。

  因此，教学设计需通过搭建直观的体验平台、提供结构化的探究支架、创设真实的工程应用情境，将抽象思维可视化，将复杂问题阶梯化，从而化解难点，提升思维品质。

  三、单元教学目标与核心素养指向

  基于以上分析，确立本单元的教学目标如下：

  （一）物理观念

  1.形成“电能生磁”的基本观念，认识到电流周围存在磁场，磁场方向与电流方向有关。

  2.建立通电螺线管的磁场模型，能描述其磁场与条形磁铁的相似性，并应用安培定则进行方向判断。

  3.理解电磁铁是基于通电螺线管的可控磁体，其磁性强弱与电流大小、线圈匝数等因素有关。

  4.领会电磁继电器是利用电磁铁控制电路通断的开关装置，理解其实现安全控制、自动控制的基本原理。

  （二）科学思维

  1.模型建构：能用磁感线模型描述通电直导线、通电螺线管周围的磁场分布；能将实际的电磁继电器抽象为由电磁铁、衔铁、弹簧、触点等组成的控制模型。

  2.科学推理：能基于奥斯特实验现象，合理推测电流磁场可能具有的普遍性；能运用控制变量法设计实验探究电磁铁磁性强弱的影响因素，并基于证据得出结论。

  3.科学论证：能对“如何增强电磁铁磁性”、“如何设计一个延时断电继电器”等问题提出可检验的猜想，并通过实验收集证据，进行解释与交流。

  4.创新思维：能基于电磁铁和继电器的原理，提出解决简单实际问题的创意设计（如简易水位报警器、恒温箱控制电路）。

  （三）科学探究

  1.问题：能从观察“电生磁”现象中提出可探究的物理问题。

  2.证据：能通过实验观察电流的磁效应；能利用小磁针、铁屑等器材探究通电螺线管的磁场；能自主或合作设计实验方案，测量并记录影响电磁铁磁性强弱的证据。

  3.解释：能分析实验现象和数据，得出定性或定量结论。

  4.交流：能撰写简单的实验报告，能清晰表述探究过程与结论，能听取并审视他人的意见。

  （四）科学态度与责任

  1.认识奥斯特发现的历史意义，体会科学探索的偶然性与必然性，保持对自然界的好奇心。

  2.在合作探究中，养成实事求是、严谨细致的科学态度，敢于提出不同见解。

  3.了解电磁铁在电磁起重机、磁悬浮列车、医疗核磁共振等领域的应用，电磁继电器在交通信号、工厂自动化、智能家居中的应用，认识到物理学对技术进步、社会发展的巨大推动作用，初步形成将科学知识应用于实际、服务社会的意识。

  4.通过设计安全用电的控制电路，强化安全用电和社会责任意识。

  四、教学重点与难点

  教学重点：

  1.电流的磁效应（奥斯特实验）。

  2.通电螺线管外部磁场的分布特点及安培定则的应用。

  3.电磁铁的构成及其磁性强弱的控制因素。

  4.电磁继电器的基本结构、工作原理及其应用价值。

  教学难点：

  1.运用安培定则进行空间立体判断。

  2.探究影响电磁铁磁性强弱因素的实验设计与变量控制。

  3.电磁继电器的工作电路与控制电路的分析，以及对其“自动控制”逻辑的理解。

  五、教学策略与资源准备

  （一）总体策略

  本单元采用“项目式学习（PBL）”与“探究式学习”相融合的模式。以“设计与制作一个基于电磁继电器的智能物流分拣系统模型”为驱动性项目。将“电生磁”、“电磁铁”、“电磁继电器”的知识点拆解为完成该项目所必须解决的三个子任务链：①如何让电产生磁？（认识电生磁）②如何让产生的磁力足够强且可控？（制作与优化电磁铁）③如何用这个可控的磁力去自动控制另一条电路？（集成电磁继电器实现自动分拣）。整个学习过程在真实的项目情境中展开，知识的学习是为了解决项目难题，知识的应用在项目成果中得以直观体现。

  （二）教学方法

  1.情境创设法：创设智能物流分拣的真实工程问题情境。

  2.实验探究法：奥斯特实验、通电螺线管磁场探究、电磁铁磁性探究等学生分组实验。

  3.模型演示法：利用三维仿真软件动态展示通电螺线管磁感线空间分布；拆解展示实物电磁继电器结构。

  4.项目制作法：分组制作电磁铁与简易电磁继电器，并集成到分拣模型中进行测试与优化。

  5.讨论交流法：围绕实验方案设计、项目难点进行小组讨论和全班交流。

  （三）技术资源与材料准备

  1.教师演示用：奥斯特实验套装、大型通电螺线管模型（透明外壳，内置可转动小磁针阵列）、电磁继电器解剖模型、多媒体课件（含三维磁场仿真动画）、智能物流分拣系统演示视频。

  2.学生分组探究用（每4人一组）：电池组（或学生电源）、滑动变阻器、开关、导线若干、小磁针多个、铁屑盒、空心螺线管（不同匝数规格）、漆包线、铁芯（铁钉、螺栓）、大头针（用于检验磁性）、电流表、电磁继电器实验板（含明确标识的控制电路和工作电路接口）、发光二极管、小电机。

  3.项目制作材料：纸板、木条、胶水、双面胶、轻质小球（代表“包裹”）、微型电磁铁（自制）、自制电磁继电器、简单机械传动部件（如杠杆、挡板）、电源、开关、导线等。

  六、教学实施过程（共计6课时）

  第一、二课时：现象的震撼——发现“电”与“磁”的桥梁

  （一）项目启动与情境导入（15分钟）

    教师播放一段现代化智能物流仓库的视频片段，重点展示自动分拣系统：包裹上的条形码被扫描后，对应的传送带岔路口挡板自动打开，包裹精准分流。

    教师提出问题：“这个系统是如何‘知道’该在哪一刻打开哪个挡板的？这个‘打开’的动作是如何实现的？是人力吗？是复杂的机械结构吗？”引导学生讨论，最终聚焦到“自动控制”这一核心。教师揭示项目任务：我们将模拟这一场景，制作一个简易的智能分拣系统模型。当代表不同目的地的“包裹”（不同颜色小球）经过传感器（此处简化为手动开关模拟）时，对应的电磁挡板自动动作，将其导入正确轨道。要实现这个“自动动作”，我们需要一种用电来控制的“动力开关”。这就要从电和磁的关系说起。

  （二）重温旧知，聚焦问题（10分钟）

    教师引导学生快速回顾：磁体有哪些性质？（吸铁性、指向性、磁极、磁场、磁感线）。电有哪些效应？（热效应、化学效应）。紧接着发问：“电和磁，这两类我们分别学习过的现象，它们之间有没有联系？能否让电产生磁？”鼓励学生大胆猜想。教师介绍物理学史上人们对这个问题的漫长探索，引出奥斯特的实验。

  （三）实验探究一：电流的磁效应（40分钟）

    1.演示实验重现：教师规范演示奥斯特实验。强调实验前，导线要与小磁针平行放置。闭合开关瞬间，提醒学生多角度观察小磁针的偏转情况（前后左右上下）。断开开关，观察小磁针复位。改变电流方向，重复实验。

    2.学生分组探究：学生以小组为单位，重现奥斯特实验。教师巡回指导，确保操作规范。要求详细记录：电流方向（从正极到负极）、小磁针初始N极指向、闭合开关后N极偏转方向。

    3.现象分析与归纳：各组汇报观察结果。教师引导学生总结：①通电导体周围存在磁场（电能生磁）。②该磁场的方向与电流方向有关。教师追问：“如何更直观地‘看见’这个磁场？”引出用铁屑显示磁场的方法。

    4.深化观察：学生将直导线穿过铺有铁屑的玻璃板，通电后轻敲玻璃板，观察铁屑的分布形状（同心圆）。教师利用三维动画，将这一平面分布还原为立体空间分布，强调电流磁场是环绕电流的。

  （四）实验探究二：通电螺线管的磁场（25分钟）

    教师提出新问题：“单根导线的磁场比较弱，如何获得更强、更集中、更类似条形磁铁的磁场？”展示螺线管，引导学生思考将导线绕成线圈的作用（叠加磁场）。

    1.学生活动一：将螺线管接入电路，在周围放置多个小磁针。通电后，观察小磁针N极的指向分布。尝试改变电流方向，观察变化。学生描述现象：螺线管外部，小磁针的指向排列与条形磁铁周围非常相似。

    2.学生活动二：在螺线管下方放置玻璃板并撒上铁屑，通电轻敲，观察铁屑形成的图案。与条形磁铁的铁屑图案进行对比。

    3.建立模型与规律：师生共同总结：通电螺线管外部的磁场与条形磁铁相似。它有两个磁极。教师引出关键问题：“如何判断通电螺线管的N极和S极？”介绍安培定则（右手螺旋定则）。通过动画分解和手势示范，引导学生练习：已知电流方向判断磁极，已知磁极判断电流方向。此处设计多层次练习，从立体模型到平面示意图，从单一螺线管到带铁芯的螺线管，逐步加深理解，突破空间想象难点。

  （五）课堂小结与项目链接（10分钟）

    教师总结本节课核心发现：电可以生磁，通电螺线管能产生类似条形磁铁的磁场。引导学生将这一发现与项目关联：“我们现在已经有了用电控制的‘磁体’。那么，接下来我们需要考虑，如何让这个‘磁体’的磁力足够强，能够驱动机械部分（挡板）？这就是我们下节课要解决的任务——制作和优化我们的核心动力部件：电磁铁。”布置课后思考：你认为哪些因素可能会影响这个“电磁铁”的磁力大小？

  第三、四课时：力量的塑造——探究与优化电磁铁

  （一）从模型到实物：电磁铁的引入（15分钟）

    教师展示一个预先制作好的电磁铁（带铁芯的螺线管），演示其通电后吸起大头针，断电后释放的现象。与永磁体对比，强调其“可控”优势：磁性的有无由电流通断控制；磁性的强弱理论上也应可调。明确本节课项目子任务：制作并优化一个磁力足够强的电磁铁，为驱动分拣挡板提供动力。

  （二）猜想与假设（10分钟）

    基于上节课的思考和学生已有的电路知识，小组讨论并列出可能影响电磁铁磁性强弱的因素。典型猜想包括：电流大小、线圈匝数、有无铁芯、铁芯材料、线圈粗细、线圈疏密等。教师引导学生进行初步筛选，聚焦于最核心、易于在课堂探究的变量：电流大小、线圈匝数、有无铁芯。

  （三）设计实验方案（25分钟）

    这是本节课的思维训练核心环节。教师不直接给出方案，而是通过问题链引导学生自主设计：

    1.如何比较磁性的强弱？（转换法：用电磁铁吸引大头针的数量或能保持住的最大重量来间接反映。）

    2.如何改变电流大小？（使用滑动变阻器或改变电源电压。）

    3.如何改变线圈匝数？（使用不同匝数的预制螺线管，或使用同一根长漆包线分段绕制，确保铁芯和线圈紧密程度相同是难点，需讨论出可行方法。）

    4.如何研究有无铁芯的影响？（使用同一个螺线管，分别插入和不插入铁芯进行实验。）

    5.当研究其中一个因素（如电流大小）时，其他因素（如匝数、铁芯）应如何控制？（控制变量法的强化应用。）

    各组在讨论基础上形成初步书面方案，教师巡视指导，选取有代表性的方案进行全班交流与评议，完善实验步骤和记录表格。

  （四）分组实验与数据收集（40分钟）

    学生按照优化后的方案进行实验。教师提供不同规格的材料，强调规范操作和安全用电。重点关注：连接电路时开关断开；电流表量程选择；滑动变阻器的初始阻值；记录数据时的准确性。学生在实验过程中，可能会发现新的问题，如匝数太多时电阻过大导致电流过小，教师适时引导他们运用欧姆定律进行解释，实现知识的横向联结。

  （五）分析论证与得出结论（20分钟）

    各组整理实验数据，绘制图表（如吸引大头针数量随电流变化的柱状图），分析数据趋势。小组代表汇报结论：电磁铁的磁性强弱与电流大小、线圈匝数有关。电流越大，磁性越强；匝数越多，磁性越强。插入铁芯，磁性大大增强。教师引导学生进一步思考：“为什么插入铁芯磁性会大增？”解释铁芯被磁化后成为磁体，与线圈磁场叠加，使磁性急剧增强。这正体现了电磁铁的结构优势。

  （六）项目应用与优化挑战（20分钟）

    教师发布分拣系统的“技术指标”：需要电磁铁至少能吸起5枚串联的大头针（模拟挡板动作的阻力）。各小组利用本节课得出的结论，优化自己的电磁铁设计（选择匝数、调节电流、确保铁芯质量），使其达到“指标”。测试成功后，固定电磁铁的设计参数。教师提出进阶思考：“如果分拣系统需要更快的响应速度，即电磁铁通电后磁性瞬间达到最强，我们在设计和使用时还需要注意什么？”（提示：线圈的电感效应，引出后续可能的拓展方向。）

  第五、六课时：控制的智慧——集成电磁继电器与项目展示

  （一）从直接控制到间接控制：电磁继电器的必要性（15分钟）

    教师引导学生回顾项目全局：我们已经有了动力源（电磁铁）。如果直接用我们手中的开关和电池去控制这个电磁铁，进而拉动挡板，是否可行？学生回答可行。教师接着出示一张“高压动力电路”的图片，并提出新问题：如果驱动挡板需要的能量很大，需要220V的市电，还能让我们用手去直接闭合那个开关吗？学生立刻意识到危险。教师进而拓展：在实际应用中，控制中心（如电脑、传感器）发出的信号往往是微弱的低压直流电，而被控制的设备（如电机、电灯）可能需要高压交流电。如何实现“安全”的“以小控大”、“以弱控强”、“以低控高”？我们需要一个“中介开关”——电磁继电器。

  （二）解构装置：认识电磁继电器的结构（20分钟）

    教师分发实物电磁继电器（最好是透明外壳或解剖模型），让学生对照结构图进行观察。引导学生识别核心部件：电磁铁（线圈、铁芯）、衔铁（动触点）、弹簧、静触点（常开触点、常闭触点）。教师强调，这些部件共同构成了一个“由电磁铁驱动的机械开关”。组织学生分组讨论，尝试描述“当线圈通电和断电时，各个部件会如何动作，触点如何连接与断开”。

  （三）电路分析：理解工作原理（30分钟）

    这是本课时的另一难点。教师使用双路示教板，清晰地将电磁继电器的接线端子分为两部分：控制电路（接电磁铁线圈）和工作电路（接被控电器，如小电机或灯泡）。

    1.静态分析：画出控制电路和工作电路的草图，明确电流路径。区分常开触点和常闭触点。

    2.动态演绎：

      情景A：控制电路断开。教师引导学生分析：电磁铁无磁性，衔铁在弹簧拉力下与哪个静触点接触？此时工作电路是通还是断？

      情景B：控制电路闭合。电磁铁通电产生磁性，吸引衔铁，衔铁动作，与另一个静触点接触。此时工作电路的状态发生了什么变化？

    通过实物操作和电路图同步分析，让学生清晰地看到，控制电路的一个微小通断变化，通过电磁铁和机械联动，导致了工作电路状态的改变。教师板书核心逻辑：控制电路通→电磁铁有磁→吸衔铁→触点切换→工作电路状态改变。反之亦然。

  （四）项目集成：搭建智能分拣系统模型（40分钟）

    各小组领取项目材料包。任务是将之前制作的电磁铁（作为挡板驱动动力）、电磁继电器、电源（低压电池组模拟控制电路，可用干电池；另一组电池串联模拟高压工作电路，使用安全电压）、开关（模拟传感器）、轨道和挡板进行集成。

    1.电路连接：按照电路图，分别连接控制电路（开关→继电器线圈）和工作电路（模拟高压电源→继电器触点→电磁铁驱动线圈→挡板动作机构）。教师强调接线规范和安全检查。

    2.机械安装：将电磁铁的动铁芯（或衔铁）与挡板连杆进行机械连接，确保电磁铁通电时，挡板能可靠动作。

    3.系统调试：闭合控制开关（模拟传感器检测到“包裹”），观察继电器是否动作，挡板是否及时打开。测试不同“包裹”（用不同颜色小球区分）经过时，通过切换不同的控制开关（模拟不同条码），控制不同的继电器和挡板动作，实现分拣功能。

  （五）成果展示、评价与拓展（25分钟）

    1.小组展示：每个小组展示自己的分拣系统模型，演示分拣过程，并简要讲解其工作原理。

    2.多元评价：采用小组互评和教师评价相结合的方式。评价维度包括：系统功能实现度（能否准确分拣）、电路连接规范与可靠性、机械结构稳定性、团队合作表现、讲解清晰度等。利用评价量规进行打分。

    3.知识升华与拓展应用：

      （1）教师总结电磁继电器的核心价值：电路隔离、放大控制信号、实现自动控制和远程控制。

      （2）展示更多实际应用案例：汽车启动电机电路、恒温箱温度控制、水位自动报警器、工厂流水线自动控制等。分析其中电磁继电器（或其固态进化版本——可控硅、继电器模块）所扮演的角色。

      （3）引导学生展望：在现代数字控制系统中，继电器如何与传感器、编程逻辑控制器（PLC）协同工作，构成更复杂的智能系统。将物理原理与信息技术、工程控制初步建立联系。

    4.单元总结：回顾从奥斯特实验的惊人发现，到电磁铁的可控力量塑造，再到电磁继电器的控制智慧，最后到项目成果的完整历程。强调这是一个从科学到技术再到工程的微型缩影，鼓励学生保持探究热情，运用所学知识去观察、思考和创造。

  七、教学评价设计

  本单元评价贯穿教学过程始终，体现“教学评”一体化，兼顾过程与结果。

  （一）过程性评价（占比60%）

    1.课堂观察：记录学生在实验探究、方案讨论、项目制作中的参与度、操作规范性、合作交流情况、问题提出与解决能力。

    2.探究报告：对“影响电磁铁磁性强弱因素”的实验设计、数据记录、分析结论进行书面评价。

    3.学习单/思维导图：检查学生完成的关键概念梳理图、电路分析图，评估其知识结构化水平。

    4.项目过程记录：包括设计草图、调试日志、遇到的问题及解决方案，评价其工程实践与反思能力。