北师大版初中物理九年级全一册《电磁铁及其应用》教案

北师大版初中物理九年级全一册《电磁铁及其应用》教案

一、教学分析：立于核心素养，统整跨学科视野

1.教材分析

本节内容选自北师大版九年级物理全一册第十四章《磁现象》第四节。本章从永磁体的磁现象入手，逐步深入到电流的磁场（电生磁），最终落脚于电磁铁这一磁与电相结合的综合体及其广泛的应用。本节内容处于承上启下的关键节点：它既是安培定则（电流磁场方向判定）和通电螺线管知识的深化与应用，又是后续学习电磁继电器、电动机、发电机等电磁转换装置的基础。教材通过“问题提出-实验探究-原理分析-实际应用”的线索展开，体现了“从物理走向社会”的基本理念。

在新教材和课程改革的语境下，本节内容不应再是孤立的知识点传授，而应成为培养学生物理核心素养、发展工程思维和问题解决能力的绝佳载体。电磁铁作为一项典型的工程技术产品，其设计、优化和应用过程天然地融合了物理学原理（电与磁）、工程设计（结构优化）和技术实现（控制电路），是开展STEM（科学、技术、工程、数学）教育或项目式学习（PBL）的理想切入点。

2.学情分析

已有认知：

1.知识层面：学生已掌握了磁场的基本概念、磁感线描述、电流的磁效应以及通电螺线管磁场的特点和安培定则。

2.能力层面：具备一定的实验观察能力和简单的电路连接技能；初步了解控制变量法在探究实验中的应用。

3.思维层面：九年级学生的抽象逻辑思维和归纳推理能力正在快速发展，对探究事物的内在联系和原理有较强兴趣。

潜在困难与迷思概念：

1.可能将电磁铁与永磁体的性质完全等同，忽视其“电控”的核心特征。

2.在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，对多变量（电流、匝数、铁芯）的控制实验设计感到困难。

3.对于电磁铁在实际复杂设备（如继电器）中的应用，理解其内部工作过程和电路隔离作用可能存在障碍。

4.将知识应用于解决真实情境问题的迁移能力有待引导和提升。

3.核心素养与跨学科联系分析

1.物理观念（物质观与相互作用观）：深化对“场”这种特殊物质形态的理解，建立“电”与“磁”相互联系、相互转化的物理观念。

2.科学思维（模型建构与科学推理）：将实际的电磁铁抽象为“螺线管+铁芯”的物理模型；运用控制变量法和归纳法探究规律；基于证据和逻辑分析电磁铁的工作原理。

3.科学探究（问题与证据）：引导学生自主提出可探究的科学问题，设计并实施实验方案，收集、分析数据，形成结论，并交流评估。

4.科学态度与责任（STSE）：认识电磁铁技术对社会生产、生活（如交通、医疗、工业自动化）带来的深刻变革，激发创新意识，培养将科学原理服务于社会的责任感。

5.跨学科联系：

1.6.技术与工程：电磁铁是典型的技术产品，其设计涉及材料选择（软铁芯）、结构优化（线圈绕制）、控制策略（电流调控）。

2.7.数学：实验数据的表格化记录、图像化处理（如I-F图像），以及可能的简单函数关系分析。

3.8.历史与社会：简略追溯从奥斯特发现电流磁效应到亨利发明实用电磁铁的技术发展史，理解科学技术与社会需求的互动。

二、教学目标

基于以上分析，确立以下三维融合的核心素养导向教学目标：

1.物理观念与规律认知：

1.2.能准确描述电磁铁的基本构造，并能从能量转换的角度阐明其工作原理。

2.3.通过实验探究，归纳总结出电磁铁磁性强弱与电流大小、线圈匝数、有无铁芯的定性关系。

3.4.能列举电磁铁在生活、生产中的至少三种典型应用，并能简述其工作过程。

5.科学思维与探究能力：

1.6.经历“提出问题-猜想与假设-设计实验-进行实验-分析论证-评估交流”的完整科学探究过程。

2.7.熟练掌握控制变量法在本探究实验中的具体应用，能独立或合作设计出合理的实验方案和记录表格。

3.8.能对实验现象和数据进行分析、比较、归纳，得出科学结论，并能用物理语言进行清晰表述。

9.科学态度与责任：

1.10.在探究活动中养成实事求是、严谨细致、合作分享的科学态度。

2.11.通过对电磁铁广泛应用的学习，体会物理知识与技术结合的强大力量，认识到物理学是推动技术进步和社会发展的重要引擎。

3.12.激发利用所学知识进行小发明、小制作的创新热情，初步形成工程设计与优化的意识。

三、教学重难点

1.教学重点：

1.2.电磁铁的概念及工作原理。

2.3.探究影响电磁铁磁性强弱的因素。

3.4.电磁铁在电磁继电器等装置中的应用原理。

5.教学难点：

1.6.如何引导学生自主设计出严谨的“探究影响电磁铁磁性强弱因素”的实验方案。

2.7.理解电磁继电器作为“用低压电路控制高压电路、用弱电流控制强电流”的自动开关的工作原理及其电路符号识别。

四、教学准备

1.教师准备：

1.2.演示实验器材：大型电磁铁（带可变电源和匝数切换开关）、电磁继电器原理示教板、条形磁铁、一盒大头针、铁架台、导线、开关、滑动变阻器、电流表、多媒体课件、实物投影仪。

2.3.自制或视频素材：电磁起重机工作视频、磁悬浮列车原理动画、自动水位报警器模型。

3.4.分组实验器材（按4-6人一组）：电池组（或学生电源）、滑动变阻器、电流表、开关、导线若干、铁钉（大号，作为铁芯）、漆包线（不同长度规格，用于绕制不同匝数的线圈）、小铁屑、一堆大头针或小铁钉、一小堆回形针（非铁质，用于对比）、实验记录单。

5.学生准备：

1.6.复习通电螺线管的磁场及安培定则。

2.7.预习本节课文内容，思考“如何让通电螺线管的磁场更强？”

五、教学过程实施

第一课时：构建概念，深入探究

环节一：情境激疑，导入新课（预计时间：8分钟）

1.魔术表演，设下悬念：

教师展示一个普通的铁钉和一盒大头针。提问：“我能让这个铁钉像磁铁一样吸起大头针，但又能随时让它失去磁性，你们相信吗？”随后，将漆包线绕在铁钉上，连接一个隐藏的电路（讲台下有开关），瞬间吸起一串大头针；断开开关，大头针纷纷落下。

（设计意图：制造认知冲突，激发学生强烈的好奇心和探究欲。）

2.联系实际，提出问题：

播放一段港口电磁起重机搬运废钢铁的视频。提问：“这个巨大的‘磁铁’为什么能随时吸起和放下成吨的钢铁？它与我们之前学过的永磁体（如条形磁铁）有什么本质区别？”

引导学生观察对比：永磁体磁性永久，电磁铁磁性“可控”——通电磁生，断电磁消。

（设计意图：从魔术到真实工业场景，凸显电磁铁“电控磁性”的核心特征，引出本节课题。）

3.板书并明确学习主题：

在师生讨论的基础上，自然引出“电磁铁”的概念，并板书课题。引导学生初步定义：电磁铁——内部带有铁芯的通电螺线管。

环节二：概念构建与原理深化（预计时间：12分钟）

1.解剖结构，建立模型：

请学生观察教师拆解的自制电磁铁模型和分组实验器材中的铁钉与漆包线。共同总结电磁铁的基本构成：线圈（螺线管）+铁芯。

提问：“铁芯可以用铜钉、铝钉代替吗？为什么？”引导学生回顾“磁性物质”与“磁化”概念，理解铁芯被通电螺线管的磁场磁化后，其磁场与线圈磁场叠加，使磁性大大增强的原理。

（设计意图：将实物抽象为物理模型，理解铁芯的核心作用，巩固“磁化”概念。）

2.定性感知，引出探究主题：

教师使用大型演示电磁铁，进行系列快速演示：

1.3.保持匝数不变，调节滑动变阻器改变电流：电流大时吸起大头针多，电流小时吸起少。

2.4.保持电流大致不变，通过开关切换线圈匝数：匝数多时吸起大头针多，匝数少时吸起少。

3.5.取出铁芯，再通电：磁性急剧减弱。

引导学生观察现象，并提出问题：“电磁铁的磁性强弱可能与哪些因素有关？”鼓励学生基于观察进行猜想与假设：①电流大小；②线圈匝数；③有无铁芯（铁芯材料）。

（设计意图：通过直观演示，为学生提供猜想依据，将探究问题自然引出。）

环节三：合作探究，发现规律（预计时间：20分钟）——本节课的核心与重点

1.方案设计，思维攻坚（难点突破）：

1.2.教师不直接给出实验步骤，而是组织小组讨论：“如何设计实验来验证我们的每一个猜想？”

2.3.聚焦核心科学方法提问：“在研究电流大小的影响时，线圈匝数和铁芯应如何处理？这运用了什么方法？”（控制变量法）

3.4.引导学生细化方案：

1.4.5.如何改变和测量电流？（用滑动变阻器改变，电流表测量）

2.5.6.如何改变线圈匝数？（在同一铁芯上绕制不同匝数的线圈）

3.6.7.如何比较磁性的强弱？（转换法：用吸引大头针的数量来间接反映；或用弹簧测力计测量刚好拉开电磁铁与铁块的力。本节课采用前者，更直观简便。）

7.8.小组形成初步方案后，教师请1-2个小组代表汇报，全班共同评估、优化。教师利用实物投影展示一份规范的实验记录表格设计范例。

（设计意图：将实验设计的主动权交给学生，在思维碰撞中突破“如何设计多变量探究实验”的难点，培养科学思维和探究规划能力。）

9.分组实验，收集证据：

1.10.学生以小组为单位，根据优化后的方案和记录表格进行实验。

2.11.教师巡视指导，重点关注：电路连接是否正确（特别是电流表、滑动变阻器的接法）；控制变量是否严格（如研究匝数影响时，是否保证了电流相同）；数据记录是否及时、真实；小组分工合作是否有效。

3.12.提醒安全事项：避免短路，连接电路时开关应断开，电流不宜过大以防线圈发热。

13.分析论证，得出结论：

1.14.实验结束后，各小组先内部分析数据，形成初步结论。

2.15.教师组织全班交流汇报。邀请不同小组分享他们的数据和结论。

3.16.教师引导学生对多组数据进行比较，寻找共同规律。最终，师生共同归纳出科学结论，并由教师规范板书：

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。

有铁芯时，磁性比无铁芯时强得多。

（设计意图：强调基于证据的论证和集体智慧的整合，培养学生分析、归纳和科学表达能力。）

环节四：首课小结与延伸思考（预计时间：5分钟）

1.教师引导学生回顾本课探究历程：从观察现象提出猜想，到设计实验验证，最后得出结论。

2.提问：“根据我们今天发现的规律，如果你想制作一个磁性尽可能强的电磁铁，你会从哪些方面着手？”（用电阻小的粗导线绕制更多匝数、提供更大的电流、使用导磁性能更好的铁芯材料）

3.布置课后思考与实践作业：利用家中可得的材料（铁螺栓、电线、电池等），尝试制作一个简易电磁铁，并测试它能吸起多重的物体。

第二课时：拓展应用，创新实践

环节一：温故知新，衔接应用（预计时间：5分钟）

1.通过快速问答方式复习上节课核心知识：电磁铁的构成、工作原理、影响磁性强弱的因素。

2.教师展示一个强力电磁铁吸起沉重铁块的演示，提问：“如此强大的磁力，如果直接由人手去控制电路通断，在高压、高危的环境中安全吗？方便吗？我们能否设计一种‘遥控’开关？”由此自然过渡到电磁铁的重要应用——电磁继电器。

（设计意图：巩固旧知，并从一个新的实际问题引出应用学习，保持思维的连续性。）

环节二：核心应用解析——电磁继电器（预计时间：15分钟）

1.实物感知与问题剖析：

教师分发或展示电磁继电器实物（最好是可以透视外壳的模型），让学生观察其外部接线端子和内部结构。结合挂图或动画，引导学生识别：

1.2.控制电路：由电磁铁、低压电源和开关组成。

2.3.工作电路（高压电路）：由触点（动触点和静触点）、用电器（如电动机）和高压电源组成。

3.4.核心动作部件：衔铁（动触点与之相连）和弹簧。

5.原理探究与动态分析：

教师利用示教板或动画，分步演示继电器的工作过程：

1.6.开关S闭合时：控制电路接通→电磁铁产生磁性→吸引衔铁→动触点与下方静触点接通→工作电路闭合→电动机转动。

2.7.开关S断开时：控制电路断开→电磁铁磁性消失→弹簧将衔铁拉回→动触点与上方静触点接通（或恢复原状，视继电器类型而定）→工作电路断开→电动机停转。

引导学生用语言和箭头流程图清晰描述这一过程。

（设计意图：将静态的实物与动态的工作过程相结合，帮助学生建立清晰的物理图景。）

8.功能归纳与意义升华：

在学生理解原理后，组织讨论：“电磁继电器起到了哪些关键作用？”

师生共同总结：

1.9.安全作用：利用低压、弱电流的控制电路间接控制高压、强电流的工作电路，保障操作人员安全。

2.10.自动控制/远程控制：控制开关可以远离高压环境，便于实现自动化和远程操作。

3.11.扩大控制容量：用小电流开关控制大功率用电器。

教师进一步指出：继电器是自动控制电路的“基石”，是现代智能家居、工业自动化、通信设备中不可或缺的元件。

（设计意图：超越具体结构，理解其工程价值和社会意义，提升STSE素养。）

环节三：应用博览与创新迁移（预计时间：15分钟）

1.应用实例巡礼：

教师利用多媒体，以图文并茂或短视频形式，展示电磁铁在其他领域的巧妙应用：

1.2.电铃、电话听筒：分析其中电磁铁如何将电信号转化为机械振动（声信号）。

2.3.磁悬浮列车：简析利用电磁铁产生的吸引力或斥力实现悬浮和驱动的基本思路，感受高科技的魅力。

3.4.自动控制系统：如水位自动报警器、恒温箱温度控制器、电梯门防夹装置等。重点分析其中电磁铁作为“执行开关”的角色。

（设计意图：拓宽视野，让学生感受到物理原理应用的广泛性和创造性。）

5.项目式学习活动：设计一个智能水位报警器（难点实践与创新）

1.6.情境与任务发布：“学校水泵房的水塔需要水位监控，水位过低时自动启动水泵抽水，水位过高时自动停止并报警，以防溢出。请利用电磁继电器为核心，设计一个自动控制电路模型。”

2.7.小组设计与讨论：

1.3.8.关键问题引导：①如何将水位高低信号转化为电信号？（可提示：利用浮子和滑动变阻器构成一个“水位传感器”）②需要几个电磁继电器？分别控制什么？

2.4.9.学生分组讨论，画出电路设计草图。教师提供必要的元件符号（电源、开关、电磁继电器、电动机、电铃、滑动变阻器、导线等）。

5.10.展示与互评：

邀请1-2个小组在黑板上或通过实物投影展示其设计图，并讲解工作原理。其他小组提问、补充或提出优化建议。

（设计意图：将所学知识置于真实、复杂的工程问题情境中，驱动学生进行系统思考、创造性设计和合作交流，是培养综合实践能力和创新思维的高阶活动。）

环节四：总结梳理，分层作业（预计时间：5分钟）

1.体系化总结：

师生共同构建本节内容的思维导图或概念图，从“结构-原理-规律-应用”四个维度进行梳理，形成完整的知识体系。

核心脉络：电流的磁效应→通电螺线管→插入铁芯增强磁性→电磁铁→通过控制电流控制磁性→应用于继电器等装置→实现自动控制、安全用电。

2.分层作业布置：

1.3.基础性作业（必做）：完成课后练习题，重点绘制电磁继电器控制电路图并说明其工作过程。

2.4.拓展性作业（选做）：查阅资料，了解一种新型电磁材料（如巨磁