初中物理九年级全一册《直流电动机：原理、构造与跨学科实践》教案

初中物理九年级全一册《直流电动机：原理、构造与跨学科实践》教案

一、教学内容与学情分析

（一）教学内容解析

本节内容属于北师大版九年级物理全一册第十四章‘磁现象’的第六节，是在学生学习了磁场性质、电流的磁效应以及磁场对通电导体的作用之后，对电与磁相互转化关系的进一步深化和应用。本节课的核心知识体系围绕‘三个层面’构建：【基础】层面，需巩固磁场对通电导体（线圈）产生力的作用这一根本原理，明确力的方向与电流方向、磁场方向有关，并理解该过程中的能量转化——电能转化为机械能。【重要】层面，需深入剖析直流电动机的构造，特别是定子（磁体）和转子（线圈、换向器、电刷）的组成与功能，重点攻克换向器的作用这一教学难点，即在线圈因惯性转过平衡位置的瞬间改变其中的电流方向，从而维持受力方向一致，实现线圈的持续转动。【高频考点】层面，需结合实例辨析直流电动机与交流电动机的区别，分析电动机在实际电路中的简单计算（如能量转化效率问题），并通过‘电动机为什么能持续转动’这一核心问题串联起整个知识链条。

（二）学情精准画像

九年级学生已具备初步的电磁学基础，能理解磁场对电流有力的作用，但【难点】在于将平面的、静态的受力分析（直导线受力）转化为立体的、动态的线圈转动分析。学生普遍存在思维转换的困难，尤其是对于线圈越过平衡位置后受力反向导致往回摆的现象，缺乏直观感知。此外，学生在生活中虽常见电动机（电动车、风扇），但对其内部构造和工作机制缺乏深入了解，存在好奇心与认知盲区并存的特点。因此，教学设计需遵循从现象到本质、从直观到抽象的认知规律，借助实验突破空间想象的局限，并通过跨学科的动手实践（制作简易电动机）深化理解，将物理概念内化为解决实际问题的能力。

二、教学目标设定（指向核心素养）

（一）物理观念

【基础】能准确表述磁场对通电导线的作用力，理解直流电动机工作时将电能转化为机械能的观念。

【重要】通过分析电动机的转动，建立‘运动与相互作用’的物理观念，理解力是改变物体运动状态的原因在电磁学中的具体体现。

（二）科学思维

【难点突破】运用模型法和推理法，分析通电线圈在磁场中的受力情况，解释线圈为什么不能持续转动以及如何借助换向器解决这一问题。

【高频考点】培养逆向思维，能根据电动机的转动方向需求，反推需要改变的电流方向或磁场方向因素。

（三）科学探究

通过‘让线圈转起来’的学生分组实验，经历‘观察现象—提出问题—猜想假设—设计实验—动手操作—归纳结论’的完整探究过程。

在制作简易电动机的跨学科实践活动中，培养工程思维和解决问题的能力，学会如何调试和优化模型（如调整线圈平衡、改善电刷接触等）。

（四）科学态度与责任

通过了解电动机在工业生产、家用电器及新能源汽车等领域的广泛应用，体会物理学的社会价值，激发科技强国的使命感。通过介绍换向器的发明史，感悟科学发明的艰辛与智慧，培养严谨求实的科学态度。

三、教学重难点与突破策略

（一）教学重点

【重要】磁场对通电导线的作用力方向及其影响因素。

【重要】直流电动机的基本构造和工作原理。

（二）教学难点

【难点】换向器在线圈刚转过平衡位置时改变电流方向的作用机制。

【难点】学生空间想象能力的培养，理解线圈在磁场中的动态受力过程。

（三）突破策略

采用‘可视化+体验式’双通道策略：一方面利用动画模拟和自制教具（如用不同颜色标识电流方向的立体线圈模型）将抽象过程形象化；另一方面通过分组实验，让学生在动手绕制线圈、刮涂漆皮的过程中亲身体验换向器的物理实现，将知识难点化解于操作实践之中。

四、教学准备

（一）器材准备

教师演示用：大型蹄形磁铁、电源、开关、导线、金属轨道、通电导体棒（如粗铜线）、自制大型可拆装直流电动机模型（含换向器电刷结构）、手机投屏设备（展示学生精细操作）、教学动画课件。

学生分组用（24组）：漆包线（直径0.30.5mm）、圆形强磁铁（或小蹄形磁铁）、电池盒（含5号电池2节）、导线、泡沫板或木板底座、回形针（制作电刷支架）、砂纸、尖嘴钳、小刀。学案（含实验步骤与记录表格）。

（二）预备知识

学生需提前复习通电直导线在磁场中受力方向的判定（左手定则），预习教材中关于直流电动机的基本构造图。

五、教学实施过程

（一）创设情境，激趣导入

课堂伊始，教师通过实物展示一台拆开外壳的玩具电动机，接通电源使其转动，引导学生观察其外部特征。随后，教师展示一个更为复杂的工业电机图片或视频，提出问题：‘电动机为什么能转起来？它内部有什么秘密？’紧接着，教师演示一个‘反常’的小实验：将一节电池和一块强磁铁放在桌面上，把一个简单的线圈搭在上面，线圈竟然自己转动起来（制作最简单的电动机模型）【重要】。这一极具视觉冲击力的现象瞬间抓住学生的好奇心，教师顺势引导：‘想不想自己做一个这样的电动机？今天我们就来揭开直流电动机的神秘面纱。’

（二）回顾基础，实验奠基——磁场对通电导线的作用

1.重温旧知，引出猜想

教师引导学生回顾奥斯特实验，明确电流可以产生磁场。接着提出问题：‘磁体对磁体有力的作用，磁体对电流也有力吗？’引导学生基于‘力是相互的’这一观念提出猜想：既然电流能产生磁场（即磁体对电流有作用），那么磁场对电流也应该有力的作用。

2.演示实验，直观感知

教师演示教科书中的经典实验：把一根直导体棒放在金属导轨上，置于蹄形磁体的磁场中。闭合开关，导体棒瞬间滚动或弹射出去【基础】。学生观察到现象后，教师通过改变电源正负极（改变电流方向）或对调磁极（改变磁场方向），引导学生观察导体棒运动方向的变化。师生共同归纳核心结论：【基础】（1）通电导体在磁场中会受到力的作用；（2）受力的方向与电流方向、磁场方向有关。当电流方向或磁场方向变得相反时，受力方向也变得相反。

3.过渡追问，引入线圈

教师追问：‘一根导体棒受力会运动，但它运动一段距离后就离开了磁场，无法持续运动。如何让它持续留在磁场中运动呢？’学生自然会想到把导线弯成线圈。教师展示一个矩形线圈，引导学生分析如果给这个线圈通电，两条对边（ab边和cd边）的受力情况【重要】。利用左手定则，学生能分析出两条边受力方向相反（一个向上，一个向下），线圈会因此转动起来。至此，电动机的基本原理呼之欲出。

（三）模型构建，聚焦难点——线圈为什么不连续转

1.猜想与假设

各小组领取实验器材（含一个矩形线圈、磁铁、电池），尝试让线圈通电后转动起来。学生很快发现一个令人困惑的现象：线圈虽然能动一下，但往往转到某个位置就停下来，或者摆动几下就停在那个位置，而不是持续转动【难点】。教师拍摄并展示几个小组的共同困境，提出核心探究问题：‘为什么线圈不能连续转动？停在什么位置？’

2.深入分析‘平衡位置’

教师引导学生结合立体模型和平面展开图进行分析。通过演示教具（线圈在磁场中缓慢手动转动），让学生看清当线圈平面与磁感线垂直时，两个边受力大小相等、方向相反且在同一直线上，这一位置被称为‘平衡位置’。由于线圈具有惯性，它会冲过平衡位置一点点。但关键在于：一旦冲过平衡位置，ab边和cd边的受力方向并没有改变（因为电流方向和磁场方向未变），此时原来向上的边继续受向上的力，原来向下的边继续受向下的力，这个力会促使线圈往回摆动【难点】。因此，线圈会在平衡位置附近来回摆动几次，最终因摩擦停在平衡位置。这一分析过程是整节课的思维核心，必须放慢节奏，确保学生理解。

3.提出解决方案

教师提出问题：‘如何让线圈冲过平衡位置后不再回来，而是继续朝原方向转动？’引导学生思考：如果在线圈刚冲过平衡位置的那一瞬间，让ab边和cd边中的电流方向反过来，那么受力方向也会反过来，之前向上的边变成受向下力，之前向下的边变成受向上力，这样线圈就能继续朝原方向转动【重要】。如何实现电流的及时换向？这就引出了本节课的核心构件——换向器。

（四）技术实现，破解难题——换向器的奥秘

1.观察实物，拆解构造

教师分发简单的直流电动机模型（含换向器结构），让学生拆开观察换向器的样子。学生看到是两个半圆形的铜环（换向器），每个半环分别连接线圈的两端，两个半环彼此绝缘，并分别与两个固定不动的电刷接触。

2.动画模拟，动态解析

教师利用Flash动画或三维模拟软件，动态演示带有换向器的线圈转动过程【重要】。动画需用不同颜色区分电流路径：当线圈处于平衡位置前，电流从一个电刷流入，经过左侧半环，流过线圈，再从右侧半环流出至另一电刷。当线圈由于惯性刚转过平衡位置的瞬间，动画特写显示：电刷与半环的接触关系发生交换——原本与左侧半环接触的电刷，此时与右侧半环接触了。这一瞬间，流过线圈的电流方向发生翻转。电流方向的改变导致了受力方向的改变，使得线圈受力方向始终与转动方向保持一致，从而实现了连续转动【高频考点】。教师应在此处反复播放并配合板书图示，确保每一位学生看清这一关键过程。

3.师生归纳，建立模型

引导学生用自己的语言总结：换向器的作用就是当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，从而改变线圈的受力方向，使线圈能连续转动下去。教师板书强调：【高频考点】换向器由两个半环构成，与电刷配合工作。

（五）跨学科实践，知行合一——制作简易电动机

1.任务驱动，动手实践

这是本节课的高潮部分，也是一次深度融合技术与工程的实践活动【重要】。教师布置任务：‘现在，我们要利用刚才所学的原理，亲手制作一个能持续转动的简易直流电动机。’

2.技法指导，精细操作

教师通过投影演示绕制线圈的关键技巧：用漆包线在圆柱体（如电池）上绕制35匝，两端预留约3cm作为转轴。重点讲解‘刮漆’技巧——这是电动机能否转起来的核心技术：为了使线圈在越过平衡位置时自动改变电流，我们可以模仿换向器原理。如果想让线圈自动连续转动，需要将一个转轴上的漆皮全部刮掉，另一个转轴上的漆皮只刮掉半周（上半周或下半周）【难点】。这样，当线圈转至半周时，电路接通受力转动；转过半周后，电路断开，线圈依靠惯性继续转动，同时由于漆皮只刮了半周，再次接触时电流方向改变，实现了类换向器功能。如果只想观察摆动或不需要自动连续转，则可以两端全刮。

3.小组合作，调试改进

学生分组开始绕制线圈、制作支架（用回形针弯折）、安装磁铁、连接电路。教师巡视指导，及时纠正刮漆不彻底、支架摩擦过大等问题。过程中充满了‘为什么我的线圈不转？’、‘它抖了一下就停了’、‘我用手一推就能转起来’等各种真实问题。这正是培养学生工程思维和解决问题能力的最佳契机。教师引导学生从摩擦力、磁力强弱、线圈平衡、电流通断等多个角度排查故障【重要】。例如：提示学生检查电刷与转轴的接触压力是否适中（太紧摩擦力大，太松接触不良）。

4.展示交流，分享喜悦

当一个个线圈在电池驱动下飞快旋转起来时，教室里爆发出阵阵惊叹与欢呼。教师邀请成功的几个小组分享经验，特别是关于‘半周刮漆’的操作诀窍。也有小组分享失败教训，大家共同分析原因。通过这种真实的技术实践，学生深刻理解了换向器不是凭空想象的部件，而是解决实际工程问题的巧妙设计，实现了从物理原理到技术应用的跨越【跨学科实践】。

（六）归纳总结，拓展升华

1.知识结构化

教师引导学生回顾本节课的学习路径：从原理（通电导线在磁场中受力）到问题（线圈不能连续转），再到解决方案（换向器改变电流方向），最后到应用（制作电动机）。师生共同构建知识网络图，明确直流电动机的‘三大构件’（磁体、线圈、换向器）和‘两大转化’（电能→机械能）。

2.计算与辨析

结合教材例题，引入简单的电动机计算题，如已知电压、电流、线圈电阻，求电动机的输出功率或效率【高频考点】。强调电动机属于非纯电阻电路，计算热量时只能用焦耳定律Q=I²Rt，计算总功时只能用W=UIt，两者之差即为输出的机械能。这是学生极易混淆的考点，需通过典型例题加以巩固。

3.拓展与展望

展示现代科技中电动机的广泛应用：从电动牙刷到高铁牵引电机，从硬盘驱动器到新能源汽车。播放一段关于我国在高效节能电机领域取得突破的短视频，激发学生的民族自豪感。最后留下思考题：‘交流电动机和直流电动机有什么不同？家用的电风扇是哪种？’为后续学习或课后探究埋下伏笔。

六、板书设计

第十四章第六节直流电动机

一、原理：磁场对通电导线有力的作用

受力方向与电流方向、磁场方向有关。

二、构造：定子（磁体）、转子（线圈、换向器、电刷）

三、核心装置：换向器

1.构成：两个半铜环（彼此绝缘）+电刷

2.作用：在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，从而改变受力方向，使线圈连续转动。

四、能量转化：电能→机械能

五、重点公式（非纯电阻电路）：

P电=UIt

P热=I²R

P机械=P电P热

η=P机械/P电×100%

七、作业布置与教学反思

（一）分层作业设计

1.【基础巩固】完成教材课后练习题，重点辨析电动机原理与发电机原理的区别。

2.【高频考点】完成一份关于电动机电路计算的专题小卷（含3道典型计算题，强调公式的适用条件）。

3.【拓展探究】（选做）查阅资料，了解新能源汽车中使用的永磁同步电机与本节课所学直流电机有何异同，形成一篇300