初中物理九年级下册《电磁铁及其应用》教案（北师大版）

初中物理九年级下册《电磁铁及其应用》教案（北师大版）

一、设计理念与指导思想

本节教案以《义务教育物理课程标准（2022年版）》为根本遵循，立足于发展学生核心素养，深度融合“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。教学设计突破传统知识传授模式，构建以学生为主体、以科学探究为主线、以真实问题解决为驱动的深度学习场域。

本设计秉持“大单元教学”思想，将“电磁铁及其应用”置于“电磁现象”大概念下进行统整，注重知识的结构化与功能化。通过创设工程技术情境，引导学生像工程师一样思考与设计，在“做中学”、“用中学”、“创中学”中，实现物理观念、科学思维、探究实践及科学态度与责任的协同发展。教学设计强调跨学科实践，有机融合工程设计与技术应用，培养学生的创新意识与实践能力，体现物理课程的基础性、实践性与时代性。

二、教学内容分析与整合

1.本节内容在教材体系中的定位

“电磁铁及其应用”是北师大版九年级物理下册第十四章“电磁现象”中的关键一节。它上承“电流的磁场”、“通电螺线管的磁场”，是对前两节知识的深化、综合与应用；下启“电磁继电器与自动控制”，是学习现代电磁控制技术的重要基石。本节内容起着承上启下、将理论转化为实践的关键作用，是学生认识电磁联系价值、理解技术原理的核心节点。

2.知识结构图谱

核心知识包括：电磁铁的构造与工作原理；电磁铁磁性强弱的影响因素（科学探究重点）；电磁铁相较于永磁体的优势；电磁铁在生活与生产中的典型应用（如电磁起重机、电铃、磁悬浮列车基本原理、电磁继电器核心部件等）。

知识的内在逻辑为：从通电螺线管磁性不足的实际问题出发，引出增强磁场的方法（插入铁芯）从而定义电磁铁→基于结构与材料特点，提出科学问题（磁性强弱与哪些因素有关）并进行探究→归纳电磁铁可控性、磁极可变性等优势→基于其优势，拓展分析其在各领域的具体应用，构建“结构-原理-特性-应用”的完整认知链条。

3.跨学科关联

1.技术与工程：电磁铁是典型的电能转化为磁能的装置，其设计与优化涉及工程思维。电磁继电器是电磁铁在自动控制电路中的经典应用，体现了信号转换与电路控制思想。

2.数学：探究实验中运用控制变量法设计实验方案，收集数据并尝试用图像或语言描述各因素与磁性强度之间的定性或定量关系。

3.社会与生活：广泛联系电磁铁在垃圾分类（磁性分拣）、医疗（核磁共振）、交通（磁悬浮）、工业自动化等领域的应用，理解科技对社会发展的推动作用。

三、学情分析

九年级下学期的学生经过近两年的物理学习，已经具备了初步的科学探究能力和一定的逻辑思维能力。对“磁场”、“电流的磁效应”、“通电螺线管”已有认知基础，能够运用安培定则判断磁场方向。在实验技能方面，学生基本掌握了电路连接、电流表、滑动变阻器的使用，熟悉控制变量法。

然而，学生存在的潜在困难与迷思概念可能包括：

1.对“铁芯”的作用理解可能停留在“增强磁性”的表面，难以从磁化与剩磁的角度深入理解其本质。

2.在自主设计“探究电磁铁磁性强弱影响因素”的实验方案时，对因变量（磁性强弱）的量化测量方法（如通过吸引大头针的数量、吸引铁块的质量、或用传感器测量磁场强度）可能感到困惑，需要引导。

3.容易将电磁铁的应用实例视为孤立现象，难以从“电磁铁的优势”这一统一视角进行概括性理解。

4.对于电磁继电器等较为复杂的自动控制装置，理解其工作过程可能存在电路分析上的困难。

兴趣点方面，学生对电磁铁能“通电有磁，断电无磁”的神奇特性以及其在大功率设备（如电磁起重机）中的应用充满好奇，乐于动手制作和测试简易电磁铁。这为开展探究式和项目式学习提供了良好的动力基础。

四、素养导向的教学目标

（一）物理观念

1.构建电磁铁观念：知道电磁铁的基本构造，理解其工作原理是基于电流的磁效应和铁磁性材料的磁化。

2.形成能量观念：认识电磁铁是实现电能向磁能转化的装置。

3.建立应用观念：理解电磁铁“磁性强弱可控、磁极方向可变、磁性有无可调”的核心优势，并能运用此观念解释其广泛应用的原因。

（二）科学思维

1.模型建构：能抽象出电磁铁的主要结构模型（线圈、铁芯、电路），并用以分析问题。

2.科学推理：能基于已有知识（通电螺线管磁场特点、铁磁质特性）提出关于电磁铁磁性影响的合理猜想，并运用控制变量法设计实验方案进行验证。

3.质疑创新：在实验设计中，能对磁性强弱的测量方法进行批判性思考，尝试提出改进方案。能基于电磁铁优势，对其潜在应用场景进行创新性设想。

（三）科学探究

1.问题提出：能从“如何让通电螺线管磁性更强”的实际需求中明确科学探究问题。

2.方案设计与实施：能独立或合作完成“探究电磁铁磁性强弱与电流大小、线圈匝数关系”的实验，规范操作，安全用电，如实记录数据。

3.证据处理与解释：能通过分析实验数据，归纳出定性结论，并尝试用物理语言进行解释。

4.交流评估：能撰写简要的实验报告，并在小组和班级层面清晰陈述探究过程与结论，能对他人的方案和结论进行评价与反思。

（四）科学态度与责任

1.培养严谨认真、实事求是的科学态度，在实验中尊重证据。

2.体会科学家和工程师通过优化设计解决实际问题的历程，感受技术创新的价值。

3.关注电磁铁技术在促进社会发展（如绿色智能制造、现代医疗）中的作用，初步形成将科学服务于人类的意识。

五、教学重难点

1.教学重点：

1.2.电磁铁的工作原理及其磁性强弱的影响因素。

2.3.电磁铁的主要优势。

3.4.电磁铁在生产和生活中的典型应用实例分析。

5.教学难点：

1.6.探究实验的自主设计：引导学生自主、完整地设计出“探究电磁铁磁性强弱影响因素”的实验方案，特别是因变量的有效测量方法。

2.7.核心优势的深度理解：从原理层面理解电磁铁“可控、可变、可调”优势的物理本质，并能将此作为分析应用实例的思维工具。

3.8.复杂应用的原理剖析：如电磁继电器的工作过程分析，涉及控制电路和工作电路两个回路，需要学生具备清晰的电路分析能力和空间想象能力。

六、教学准备

1.教师准备

1.多媒体课件：包含电磁铁应用的高清视频（电磁起重机工作、磁悬浮列车、自动控制门等）、动画模拟（电磁继电器工作原理）、交互式仿真实验软件。

2.演示实验器材：大型演示用电磁铁（带滑变和电流表）、电源、开关、一盒铁钉、一堆混杂有铁屑的沙土、小磁针、永磁体一块。

3.分组探究器材（按4-6人小组配备）：电池组或学生电源（0-6V）、滑动变阻器（20Ω）、电流表、开关、导线若干、长约10cm的铁螺栓（作铁芯）多个、不同规格的漆包线（如0.3mm、0.5mm，长度可绕制不同匝数）若干、大头针一盒、小铁块、弹簧测力计（可选）、自制简易电磁铁磁性强度对比板（可悬挂吸引物）。

4.应用模型或实物：电铃模型、电磁继电器实物及解剖模型、废旧扬声器、简易门铃电路套件。

2.学生准备

1.知识准备：复习电流的磁效应、通电螺线管磁场特点、影响通电螺线管磁性强弱的因素（定性）。

2.心理与思维准备：预习课本，思考“除了增加电流和匝数，还有什么办法可以大大增强螺线管的磁性？”。

七、教学实施过程（两课时，共90分钟）

第一课时：建构概念探究特性

环节一：创设情境，问题驱动（预计时间：8分钟）

1.现象对比，引发认知冲突

1.2.教师演示实验1：用一根导线绕成的空心螺线管（匝数较少）通电后靠近小铁钉，观察其吸引铁钉的数量和能力（很弱）。

2.3.教师提问：“这个通电螺线管的磁性太弱了，在工业上几乎无法使用。回忆一下，我们学过哪些方法可以增强它的磁性？”

3.4.学生回答：增大电流、增加线圈匝数。

4.5.教师演示实验2：在原有螺线管中插入一根铁棒（铁芯），再次通电靠近同一堆小铁钉。现象：吸引力剧增，能吸引大量铁钉。

5.6.核心问题：“仅仅插入一根铁棒，为什么磁性会发生如此巨大的变化？这个‘带铁芯的通电螺线管’和我们刚才用的‘空心螺线管’本质区别在哪里？”

7.引出课题，明确学习任务

1.8.学生观察、讨论、发表看法。教师引导从“铁芯被磁化，成为一个强磁体，与线圈磁场叠加”的角度思考。

2.9.教师给出定义：这种内部带有铁芯的通电螺线管，就叫做电磁铁。

3.10.揭示课题：“今天，我们就来深入探究这种神奇的装置——电磁铁。我们将化身小小工程师，首先弄清楚它的‘能力’（磁性强弱）到底由什么决定，然后看看如何利用它的‘超能力’改变世界。”

环节二：合作探究，揭秘“能力”（预计时间：25分钟）

1.提出猜想，聚焦问题

1.2.教师引导：“作为一名工程师，要使用好电磁铁，首先要了解它的‘能力参数’。根据电磁铁的构造（线圈、铁芯、电流）和你们的已有知识，请猜想：电磁铁的磁性强弱可能与哪些因素有关？”

2.3.学生小组讨论，提出猜想。可能的猜想：①电流大小；②线圈匝数；③铁芯的材料、粗细、形状；④线圈的绕制方式等。

3.4.教师引导聚焦：“今天我们先重点探究最容易控制和改变的兩個因素：电流大小（I）和线圈匝数（N）。如何用实验来验证我们的猜想？”

5.设计实验，突破难点

1.6.任务驱动：各小组设计“探究电磁铁磁性强弱与电流大小、线圈匝数关系”的实验方案。

2.7.难点攻关：教师抛出关键问题：“我们如何‘看见’或‘测量’磁性的强弱？（即如何定义和测量因变量）”

3.8.学生brainstorm：吸引大头针的数量、吸引小铁块时弹簧测力计的示数、吸引固定质量物体所需的最小距离、用磁传感器测量磁场强度等。

4.9.教师评价并引导优化：肯定各种想法，指出“吸引大头针数量”是实验室最简便易行的方法，但要注意操作的一致性（如每次让电磁铁尖端以同样方式接触大头针堆）。介绍可用“电磁铁吸引大头针后，移动直至大头针掉落，统计吸引的最大数量”来减小误差。

5.10.控制变量法的具体化：教师引导讨论：

1.6.11.探究与电流关系时，如何控制匝数不变？（使用同一个线圈）

2.7.12.探究与匝数关系时，如何控制电流不变？（更换不同匝数线圈时，调节滑变使电流表示数相同）

3.8.13.如何改变电流？（使用滑动变阻器）

4.9.14.电路图如何设计？（强调电流表串联，滑变“一上一下”接法）

15.实施探究，收集证据

1.16.各小组领取器材，根据优化后的方案进行实验。教师巡视指导，重点关注：电路连接是否正确、安全（电源电压不宜过高）；控制变量是否严格执行；数据记录是否规范（建议设计如下表格）。

实验次数

线圈匝数（N）

电流（I/A）

吸引大头针数量（枚）

磁性评价

1

50

0.2

2

50

0.4

3

50

0.6

（探究I的影响，N不变）

4

30

0.4

5

50

0.4

6

70

0.4

（探究N的影响，I不变）

17.分析论证，形成结论

1.18.各小组分析本组数据，尝试用语言描述关系。

2.19.班级分享与论证：邀请2-3个小组汇报他们的数据和结论。其他小组进行质疑或补充。

3.20.形成共识性结论：在教师引导下，全班总结：

1.4.21.当线圈匝数一定时，通过电磁铁的电流越大，电磁铁的磁性越强。

2.5.22.当电流一定时，电磁铁线圈的匝数越多，电磁铁的磁性越强。

6.23.深度思考：教师追问：“为什么会有这样的关系？”（电流越大，单匝线圈磁场越强；匝数越多，磁场叠加效应越显著；铁芯磁化也更充分。）

环节三：归纳优势，初识应用（预计时间：7分钟）

1.对比永磁体，凸显优势

1.2.教师展示一块永磁体，提问：“与这块永磁体相比，我们刚刚‘制造’和研究的电磁铁，有哪些独特的优点？”

2.3.学生结合探究实验的体验讨论。教师引导归纳，形成板书核心：

1.3.4.磁性强弱可控（通过调节电流、改变匝数实现）。

2.4.5.磁极方向可变（通过改变电流方向实现，回顾安培定则）。

3.5.6.磁性有无可调（通断电控制）。

6.7.工程视角升华：“可控、可变、可调——这三个词正是电磁铁作为‘智能磁体’的核心竞争力，也是它能在现代科技中大放异彩的根本原因！”

8.应用初窥，激发兴趣

1.9.播放一段简短视频：电磁起重机从废铁堆中轻松抓起数吨重的废钢，移动到指定位置后断电释放。

2.10.提问：“请用刚刚总结的优势，分析电磁起重机是如何工作的？它比传统的机械抓斗好在哪里？”

3.11.学生分析（利用磁性有无可调，方便抓取和释放；磁性强弱可控，可适应不同重物）。

4.12.布置课后思考：“生活中，还有哪些地方可能用到了电磁铁？下节课我们将举办一场‘电磁铁应用博览会’。”

第二课时：拓展应用实践创新

环节一：应用博览会——电磁铁改变生活（预计时间：20分钟）

1.情境引入：“欢迎来到‘电磁铁应用博览会’。现在，请各小组作为‘产品经理’，上台介绍你们研究或设想的电磁铁应用案例。”

2.学生展示与教师精讲结合：

1.3.案例1：电铃/门铃。学生展示模型或讲解电路图。教师追问：其中电磁铁如何工作？如何实现断续的铃声？（重点分析：电路接通→电磁铁吸引衔铁→小锤敲铃，同时触点断开→电路断开→电磁铁失磁→衔铁弹回→触点再次接通……如此循环，形成振铃。）

2.4.案例2：磁悬浮列车（基本原理）。播放视频。教师精讲：利用电磁铁“同性相斥”的原理，使列车悬浮于轨道之上，大大减小摩擦。介绍超导电磁铁在其中的潜在应用，联系科技前沿。

3.5.案例3：自动控制阀门/水位报警器。展示实物或动画。引导学生分析其中电磁铁作为执行机构，如何将电信号转化为机械动作。

4.6.案例4：扬声器（喇叭）。拆解废旧扬声器，观察内部结构（永磁体、音圈、纸盆）。解释原理：变化的电流通过音圈（一个电磁铁），使其在永磁体磁场中受力来回运动，带动纸盆振动发声。体现电磁铁在信息转换中的应用。

5.7.案例5：电磁继电器——弱电控强电的“安全开关”。这是本课时重中之重。

8.深度学习：电磁继电器

1.9.实物观察：分发电磁继电器实物及解剖模型，让学生观察其结构（电磁铁、衔铁、弹簧、触点）。

2.10.原理探究：

1.3.11.教师画出电磁继电器的结构示意图和符号。

2.4.12.分组任务：根据示意图，分析并画出两个电路：一个是控制电磁铁通断的“控制电路”（低压、弱电流）；另一个是由触点开关控制的“工作电路”（可高压、强电流）。

3.5.13.动画演示：播放电磁继电器工作过程的慢动作动画：闭合控制电路开关→电磁铁通电产生磁性→吸引衔铁→动触点与常开静触点闭合→工作电路接通→用电器工作。断开控制开关，过程相反。

4.6.14.核心价值讨论：“为什么需要电磁继电器？直接用手控制工作电路开关不行吗？”引导学生总结其价值：①低压弱电控制高压强电，保证操作安全；②实现远距离控制；③实现自动控制（如与温控、光控开关连接）。

环节二：工程挑战——设计一个自动控制装置（预计时间：15分钟）

1.发布挑战任务：“现在，请各位‘工程师’运用今天所学，完成一项设计挑战：利用提供的电磁继电器、电源、导线、开关、小灯泡（模拟电机）等，设计一个简单的‘仓库防盗报警模拟装置’。要求：当门（用一个小开关模拟）被非法打开时，报警灯（小灯泡）自动点亮。”

2.小组设计与搭建：学生小组讨论电路设计（可将门开关串联在控制电路中，作为常闭触点，门开则控制电路断开；继电器应选择常闭触点还是常开触点？），并动手连接电路进行测试。

3.展示与迭代：邀请成功的小组展示其电路和工作效果。其他小组提出改进意见（例如，如何让报警器在触发后持续报警，即使门又被关上？引入自锁电路概念进行拓展）。

环节三：总结梳理，体系建构（预计时间：5分钟）

1.知识树梳理：师生共同回顾，构建本节知识框架图（从电磁铁构造→工作原理→特性探究→核心优势→典型应用）。

2.素养提升总结：

1.3.我们不仅学习了电磁铁的知识，更经历了像科学家一样探究、像工程师一样设计的过程。

2.4.电磁铁的故事告诉我们，一个伟大的物理发现（奥斯特的电流磁效应），经过巧妙的工程设计和创新（加入铁芯、优化控制），就能催生出改变世界的技术。

3.5.鼓励学生保持好奇，勇于探索，将来用所学的物理和工程知识去解决实际问题，创造美好未来。

八、板书设计

（左侧主板书区域）

电磁铁及其应用

一、电磁铁：带铁芯的通电螺线管

1.工作原理：电流的磁效应+铁芯磁化→磁场叠加增强

2.磁性强弱影响因素（控制变量法探究）

1.3.电流I↗→磁性↗

2.4.匝数N↗→磁性↗

（铁芯材料、大小等

）

二、电磁铁的核心优势（vs.永磁体）

1.✅强弱可控（调I、变N）

2.✅方向可变（变电流方向）

3.✅有无可调（通/断电）

三、应用（基于优势）

1.直接利用：电磁起重机、磁选机、磁悬浮...

2.作为核心控制部件：

1.3.电铃：断续电路→振动发声

2.4.扬声器：电信号→机械振动→声音

3.5.电磁继电器：

结构

：电磁铁、衔铁、触点、弹簧

电路

：控制电路（低压/弱电）+工作电路（高压/强电）

价值

：安全控制、远距控制、自动控制

（右侧副板书区域：用于绘制关键电路图、示意图，如探究实验电路图、电磁继电器工作过程分解图、学生设计挑战的优秀方案图等。）

九、分层作业设计

A层（基础巩固，全体完成）：

1.阅读课本，整理本节核心概念、结论和优势。

2.完成课后基础练习题，重点解释电磁铁优势在具体实例中的体现。

3.列举家中或生活中观察到的3个可能应用了电磁铁原理的电器或设备，并尝试简述其工作原理。

B层（能力拓展，多数学生选做）：

1.撰写一份完整的“探究电磁铁磁性强弱与电流关系”的实验报告（包括目的、原理、器材、步骤、数据记录与处理、结论与反思）。

2.研究电磁继电器在汽车起动系统或电梯控制中的一个应用，画出简化的电路原理图并说明工作过程。

3.思考：如果要设计一个磁性强弱可以连续、精确调节的电磁铁，在电路和结构上可以有哪些改进方案？（书面简述思路）

C层（实践创新，学有余力学生挑战）：

1.小制作：利用废旧材料（铁钉、漆包线、电池等）制作一个简易电磁铁，并设计一个小实验验证其磁极方向与电流方向的关系，拍摄短视频记录过程。

2.小论文/调研报告：以“电磁铁在智能制造（或绿色能源、现代医疗）中的应用前景展望”为题，查阅资料，撰写一篇不少于500字的短文，阐述其原理和潜在价值。

3.项目设计：设计一个利用电磁铁和简单传感器（如干簧管）实现的“智能窗磁报警器”模型方案，包括所需材料清