第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机

第5节跨学科实践：制作简易直流电动机【巩固复习】教师引导学生复习上一节所学内容，并讲解学生所做的课后作业（教师可针对性地挑选部分难题讲解），加强学生对知识的巩固.【项目提出】师生活中有许多地方会用到直流电动机，同学们知道哪些地方用到了电动机？生很多玩具电动车就是用直流电动机来驱动的.利用前面学习过的直流电动机的工作原理，你可以制作一台简易的直流电动机.【项目分析】我们知道，电动机主要由线圈和磁体组成，要制作直流电动机，需要考虑以下问题.1.用什么样的导线绕制线圈？绕制的匝数多少为宜?2.哪部分作为转子？哪部分作为定子？3.如何保证通电线圈能在磁场中持续转动？【项目实施】根据每个人的个性化设计可以制作出不同的直流电动机.同学可以自主查询资料，设计出简易电动机的制作方法.师下面是一个比较简单的电动机设计和制作方法，同学们可以参考.要制作这样的直流电动机，需要有以下材料：漆包线（刷有绝缘漆的铜导线）、强磁体、电池等.把一段粗漆包线绕成约3cm×2cm的矩形线圈（图20.5-1)，作为转子.从线圈的两端各拉出约2cm的漆包线作为转轴.用硬金属丝做两个支架，固定在硬纸板或电池盒上.两个支架分别与电池的两极相连.最后把线圈放在支架上，线圈下放一块强磁体作为定子.师在上节的学习中，我们知道，如果没有换向器，通电线圈在转到下半周时受到的力使线圈反向转动，线圈将不会持续转动.如果把这个反向转动的力去掉，也就是在线圈转动的上半周通电，下半周断电，线圈依靠惯性能否连续转动呢？生线圈不能连续转动，是因为线圈越过了平衡位置以后，受到的力阻碍它的转动.师改变线圈中电流的方向，线圈将会继续转动下去.我们用小刀刮去线圈两端引线的漆皮，把左端全部刮掉，右端只刮半周.组装好电动机，给线圈通电并用手轻轻推动一下，线圈就会不停地转动了（图20.5-2）.调试自己制作的简易电动机，让它更好地工作起来.【展示交流】1.请大家展示自己制作的简易直流电动机，并说明是怎样实现让线圈连续转动的，看看谁的电动机设计得更巧妙.2.你的电动机线圈匝数是多少？转子在转动时，转轴受到的摩擦情况如何？3.观察哪个电动机转动得更快，它们可以带动其他装置旋转吗？学生进行交流讨论，教师点评.综合训练一、选择题(本大题共10小题。下列各题给出的四个选项中,只有一项符合题意)1.如图所示,磁体吸引两根铁钉的一端,那么两根铁钉的另一端将()A.相互吸引,如图甲B.相互排斥,如图乙C.不相互吸引也不相互排斥,如图丙D.无法判断2.在直流电动机结构中,换向器的作用是()A.改变磁感线的方向B.改变线圈的转动方向C.改变线圈中的电流方向D.使线圈中的电流方向和转动方向同时改变3.关于磁场和磁感线,下列说法正确的是()A.只有磁体周围才有磁场B.磁感线是由铁屑组成的C.磁体周围的磁感线都是从磁体的N极出来,回到S极D.在磁场中的某点,小磁针静止时S极所指的方向就是该点的磁场方向4.如图所示,GMR是一个巨磁电阻,其特性是电阻在磁场中会急剧减小,且磁场越强电阻越小,闭合开关S2后,下列四种情况相比较,指示灯最亮的是()A.S1断开,滑片P在图示位置B.S1闭合,滑片P在图示位置C.S1闭合,滑片P在滑动变阻器最右端D.S1闭合,滑片P在滑动变阻器最左端5.下图所示中的a表示垂直于纸面的一根导线,它是闭合电路的一部分。它在磁场中按箭头方向运动时,会产生感应电流的是()A.甲和乙B.乙和丙C.丙和丁 D.甲和丁6.奥斯特实验(如图所示)说明了()A.电流的周围存在着磁场B.电流在磁场中会受到力的作用C.导线做切割磁感线运动时会产生电流D.小磁针在没有磁场时也会转动7.收音机、电视机、音响里都有扬声器(如图所示),扬声器的工作原理是()A.电磁感应现象B.磁场对通电导线有力的作用C.电流周围存在磁场D.电流的热效应8.安装直流电动机模型时,要改变直流电动机的转动方向,可以()A.将磁体的N、S极对调B.将电源的正、负极和磁体的N、S极同时对调C.改变磁性强弱D.改变磁性强弱和电流大小9.如图所示,通电导线a、b固定不动,左磁体对a的作用力为Fa,右磁体对b的作用力为Fb,下列说法正确的是()10.汽车启动装置原理图如图所示,对于这一装置及其工作特点,下列说法不正确的是()A.旋转钥匙能使电磁铁所在电路工作B.电磁铁的工作电压比电动机的工作电压低C.电磁铁通电时,上端是S极,下端是N极D.电磁铁通电时,吸引上方的衔铁,使触点A向右与B接触二、填空题11.1821年,世界上第一台电动机雏形由英国物理学家法拉第完成,其工作原理是,10年后,法拉第发现了现象,根据这一现象他又制成了世界上第一台发电机模型。

12.我国发电厂发出的交变电流的频率是 Hz。电动机是利用通电导体在磁场中受力的原理制成的,要改变通电导体在磁场中的受力方向,可以通过改变磁场方向或改变方向来实现。

13.右图是一种单元防盗门门锁的原理图。其工作过程是当有人在楼下按门铃叫门时,楼上的人闭合开关,门锁上的电磁铁通电衔铁,衔铁脱离门扣,这时来人拉开门,进入楼内。在关门时,开关是断开的,衔铁在作用下,合入门扣。

14.如图所示,闭合开关,根据小磁针静止时的指向,可以判断出电源的左端是(选填“正”或“负”)极,条形磁体的右端是(选填“N”或“S”)极。

15.如图所示,这是(选填“发电机”或“电动机”)的原理图,若将图中磁体的S极和N极交换位置,其他保持不变,则线圈ab边所受力的方向(选填“改变”“不改变”或“可能变也可能不变”)。

三、作图题16.小磁针放在两通电螺线管之间,静止时处于下图中的位置,请完成螺线管B的绕线,并标出电流的方向。17.温度自动报警器的工作原理如图所示,在水银温度计的上方封入一段金属丝,当温度达到金属丝下端所指示的温度时,红色报警灯亮,平时绿灯亮。请根据以上要求,用笔画线代替导线,完成工作电路部分的连接。四、实验题18.在探究影响电磁铁磁性强弱的因素的实验中,实验室准备的器材有:电源、开关、滑动变阻器、两根完全相同的铁钉、表面绝缘的铜线、大头针若干。小明利用上述器材,制成简易电磁铁甲、乙,并设计了电路,如图所示。(1)实验中通过观察电磁铁的不同,可以判断电磁铁的磁性强弱不同。

(2)当滑动变阻器滑片向左移动时,电磁铁甲、乙吸引大头针的个数(选填“增加”或“减少”),说明电流越,电磁铁磁性越强。

(3)根据图中的情境可知,(选填“甲”或“乙”)的磁性强,说明电流一定时,,电磁铁磁性越强。

19.如图甲所示,使线圈位于两磁极间。(1)通电后,图甲中ab段导线的电流方向是(选填“由a到b”或“由b到a”)。图甲中ab段导线受磁场力的方向向上,用箭头标示出图丙中ab段导线所受磁场力的方向。

(2)线圈转过图乙所示位置,用的办法可使线圈靠磁场力继续顺时针转动至少半圈。

(3)若把图甲中的电源换为电阻,快速转动线圈,电阻发热。此过程机械能先转化为能再转化为能。

20.某电磁学实验箱内的器材如图所示,请你写出利用这些器材可做的三个电磁学实验名称(或实验目的)及相应器材的字母代号,填在表里。实验名称(或实验目的)选用器材(填字母代号)综合训练1.B铁钉能够被磁体磁化,并且磁化后的每一个铁钉具有两个不同的磁极,铁钉与磁体接触的一端的磁极与磁体的磁极相反,远离磁体的一端与磁体的磁极相同,同名磁极相互排斥,故正确选项为B。2.C换向器的作用就是自动改变线圈中的电流方向,使线圈能够持续转动。3.C不仅磁体周围有磁场,地球周围也有磁场,故选项A错误;我们可以根据铁屑在磁体周围的分布情况去研究磁场,为了直观形象地描述磁场而引入了磁感线,它是假想的,实际上是不存在的,故选项B错误;在磁场中的某点,小磁针静止时N极所指的方向是该点的磁场方向,故选项D错误。4.DS1断开时,电磁铁无磁性,由题意可知GMR的电阻最大,由I=UR可知,右侧电路中电流最小,由P=I2R可知,指示灯的实际功率最小,指示灯最暗,故A错误;闭合S1时,GMR所处的位置由无磁场变为有磁场,GMR的阻值减小;当滑片P在滑动变阻器最左端时,左侧电路的电阻最小,由I=UR可知,左侧电路中的电流最大,电磁铁磁性最强,则GMR的电阻最小,右侧电路中电流最大,由P=I2R可知,指示灯的实际功率最大,指示灯最亮,故B、C错误,5.C磁极间的磁感线是从N极指向S极,由题图可知,丙和丁中的导体运动时都会切割磁感线,所以会产生感应电流;甲和乙中的导体没有切割磁感线,所以不会产生感应电流,故选C。6.A小磁针转动是因为受到磁力的作用。如题图所示的实验中,当电路中有电流通过时,小磁针受力转动,当电路中无电流通过时,小磁针不动,说明通电导体周围存在磁场。7.B扬声器是把电信号转换成声信号的一种装置,它主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。当线圈中通过变化的电流时,据磁场对通电导线有力的作用的原理知,通电线圈会在永久磁体的磁场中受到变化的力的作用,即线圈所受力时而排斥、时而吸引,从而使得线圈振动,将电能转化为机械能,同时线圈的振动也会带动纸盆振动,于是扬声器就发出了声音。故正确的选项是B。8.A要想改变电动机的转动方向,可对调磁体两极或改变线圈中电流的方向,二者同时改变时,电动机转动方向不变,A正确,B错误;电动机的转动方向跟电流方向和磁场方向有关,和电流大小、磁性强弱无关,C、D错误。9.A通电导线a、b固定不动,左磁体和右磁体磁场方向相同时,若电流方向相反,则受力方向相反,A正确,B、D错误;通电导线a、b固定不动,左磁体和右磁体磁场方向相反,若电流方向相反,则受力方向相同,C错误。10.C将汽车钥匙插入钥匙孔,转动钥匙相当于闭合电磁铁的开关,使电磁铁工作,吸引衔铁向下,使触点A与B接通,电动机工作,汽车启动,所以选项A、D正确;由题图可知,电磁铁工作电压只是汽车工作电压的一部分,所以电磁铁的工作电压只是电动机工作电压的一部分,所以选项B正确;根据安培定则可判断,电磁铁通电时,上端是N极、下端是S极。故本题应选C。11.解析电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的;10年后,法拉第发现了电磁感应现象,发电机就是利用电磁感应现象制成的。答案通电线圈在磁场中受力转动电磁感应12.解析我国发电厂发出的交变电流的频率是50Hz;电动机是利用通电导体在磁场中受力的原理制成的,通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向、电流方向有关,要改变通电导体在磁场中的受力方向,可以通过改变磁场方向或改变电流方向来实现,若两个方向同时改变,受力方向不变。答案50电流13.答案吸引弹簧14.解析观察题图中小磁针可知,其上端是N极,下端是S极;小磁针处于静止状态,因异名磁极相互吸引,螺线管的右端和条形磁体的左端都吸引小磁针下端,所以螺线管的右端和条形磁体的左端都是N极,则条形磁体的右端为S极;用右手握住螺线管,大拇指指向螺线管的N极,四指指向就是电流的方向,所以电流从螺线管的左端流向右端;在电源外部,电流从电源的正极流向负极,所以电源左端为正极。答案正S15.解析题图中有电源,所以这是电动机的原理图,它是利用通电导体在磁场中受力的作用的原理工作的。通电导体在磁场中受力转动,转动方向与电流的方向和磁感线的方向有关,故若将磁体的S极和N极交换位置,即改变磁场方向,其他保持不变,则线圈ab边所受力的方向改变。答案电动机改变16.解析由小磁针的N极指向可知,螺线管A的右端为N极,B的左端为S极。根据安培定则判断出导体中的电流方向,同样利用安培定则判断出螺线管B的绕法。答案如图所示17.解析当温度升高到一定值时,温度计中的水银柱升到一定高度,与温度计中金属线接通,电磁铁产生磁性,吸引衔铁,动触点跟下面的静触点连通,红灯亮。答案如图所示18.解析(1)电磁铁的磁性强弱不易观察,可通过电磁铁吸引大头针的多少来判断。(2)当滑动变阻器滑片向左移动时,电路中总电阻变小,通过导体的电流增大,电磁铁磁性增强,吸引大头针的个数增加。(3)由题图可知,两电磁铁铁芯相同,当串联时,通过的电流相等,线圈匝数越多,磁性越强。答案(1)吸引大头针的数量(2)增加大(3)甲线圈匝数越多19.解析(1)电源外部,电流的方向从正极到负极,故通电后,题图甲中ab段导线的电流方向是由a到b。题图丙中ab段导线中的电流方向依然是由a到b,磁场方向也没有变化,故所受磁场力的方向和题图甲中相同,方向向上。(2)题图乙中线圈处于平衡位置,改变电流方向可以使线