初中物理九年级全册磁场对通电导线的作用力与电动机导学案

初中物理九年级全册磁场对通电导线的作用力与电动机导学案

一、课程定位与课标解读

本节课属于初中物理学科，面向九年级学生。在内容上，它承接了之前所学的磁场、电流的磁效应等知识，是电磁学部分的核心与高潮，更是理解电能转化为机械能的关键窗口。从课程改革理念出发，本节课的教学设计必须超越单纯的知识传授，致力于构建以学生发展为中心的探究式课堂。课标对本部分的要求是：通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，知道力的方向与哪些因素有关；了解直流电动机的结构和工作原理，知道电动机在生产生活中的应用。这要求教学设计必须将实验探究置于核心地位，让学生在动手动脑的过程中，经历科学发现的基本过程，从而深刻理解物理概念和规律，并体悟科学、技术、社会之间的紧密联系。

二、教材分析与学情研判

（一）教材分析

本节课在教材编排中具有承上启下的枢纽作用。【基础】它基于磁场的性质和电流的磁效应，进一步揭示了电与磁之间的相互作用不仅仅是“电生磁”，还存在“磁对电的作用”，即磁场对电流有力的作用。【重要】这部分知识为后续学习电磁感应（磁生电）奠定了认知基础，形成了电磁学相互作用的完整闭环。教材从通电导线在磁场中受力这一基本事实入手，进而引出力的方向影响因素，最终落脚于这些原理在电动机这一典型设备中的应用，逻辑链条清晰，体现了从现象到本质、从理论到实践的认知规律。【难点】电动机，特别是换向器的作用，是学生理解上的一个关键障碍。

（二）学情研判

九年级学生已经具备了一定的电学和磁学基础知识，例如知道电流可以产生磁场，了解磁体的基本性质，这为学习本节课提供了必要的认知准备。他们的抽象逻辑思维开始迅速发展，但仍需要具体、直观的实验现象作为支撑。在认知上，学生容易产生两个主要障碍：【难点】一是错误地认为通电导体在磁场中一定受力运动，而忽略了导体中电流方向与磁场方向平行时，受力为零的特殊情况；【难点】二是对直流电动机换向器的作用感到困惑，难以理解为什么要自动改变电流方向，以及它是如何实现在线圈转过平衡位置时自动改变电流的。因此，教学设计需要精心设计实验，提供丰富的感性材料，并通过层层递进的设问和模型分析，引导学生逐步突破认知难点。

三、核心素养导向下的教学目标

基于上述分析，确定如下教学目标，旨在全面促进学生物理学科核心素养的发展。

（一）物理观念

通过实验探究，理解磁场对通电导线有力的作用，建立“电与磁可以相互转化产生力”的观念。理解电动机工作时，电能转化为机械能。

（二）科学思维

通过探究通电导线受力方向与电流方向、磁场方向的关系，学习运用控制变量法进行实验设计。能够运用左手定则（此处为初中阶段，通常用“改变电流或磁场方向，受力方向改变”的结论性描述）分析简单的通电导体受力问题。经历从简单的通电直导线受力分析，到通电线圈在磁场中受力转动，再到引入换向器实现持续转动的模型建构过程，培养模型建构和逻辑推理能力。【重要】

（三）科学探究

经历“提出问题—猜想假设—设计实验—进行实验—分析论证—评估交流”的完整探究过程，学习如何观察、记录实验现象，如何从实验数据中归纳出物理规律。重点培养学生在实验中规范操作、仔细观察、如实记录的科学态度。

（四）科学态度与责任

通过了解电动机在生活中的广泛应用，如电动车、洗衣机、风扇等，体会物理知识对社会发展和人类生活的巨大推动作用，激发学习物理的兴趣和热爱科学的情感。通过介绍我国在高效能电机领域的成就，增强民族自豪感和社会责任感。

四、教学重难点精析

（一）【重点】探究并理解磁场对通电导体的作用力，知道影响受力方向和大小的因素。这是理解电动机工作原理的基石，必须通过实验让学生获得清晰、深刻的认知。

（二）【难点】理解直流电动机的构造和工作原理，特别是换向器在线圈转过平衡位置时自动改变电流方向的作用。这需要学生将多个物理规律（受力与电流、磁场方向的关系）进行综合运用，并理解一个动态的、周期性的过程。

（三）【高频考点】通电导体在磁场中的受力方向判断；电动机的能量转化；换向器的作用。

（四）【热点】结合新能源电动车、智能家电等，考察电动机原理在现代科技中的应用。

五、教学实施过程（核心环节，篇幅占比80%）

本设计以“问题链”驱动“探究链”，以“制作简易电动机”为项目载体，将知识学习融入任务解决之中。

（一）创设情境，激趣导入

【教师活动】展示一段视频或图片：一辆疾驰的电动车、一个正在运转的电风扇、一台巨大的工业起重机。提问：“同学们，这些设备都有一个共同的核心部件，它默默无闻却至关重要，你们知道是什么吗？”引导学生回答出“电动机”。

【教师活动】展示一个非常简易的电动机模型（如用漆包线绕制的线圈、磁铁、电池、回形针支架），并让它成功运转起来。学生看到如此简单的装置就能让线圈转动，好奇心被充分激发。

【教师活动】顺势提出问题：“电动机为什么能转动？它的内部究竟发生了什么？”从而引出本节课的探究主题：磁场对通电导体的作用。

（二）实验探究，建构规律

1.探究通电直导线在磁场中的运动

【教师活动】提出问题1：“如果将一根导线放在磁场中，不给它通电，它会运动吗？”引导学生回顾磁场的性质，得出“不会”的结论。提出问题2：“如果给这根导线通电，它会怎样？如果会动，它的运动方向可能与哪些因素有关？”鼓励学生大胆猜想。

【学生活动】猜想：可能运动；运动方向可能与电流方向、磁场方向有关。

【教师活动】介绍并展示实验器材：U形磁铁、导轨、导体棒（轻质铝管）、电源、开关、导线。【基础】引导学生设计实验方案，明确要研究的物理量是导体棒的运动方向，自变量是电流方向和磁场方向，因变量是导体棒的运动方向。强调控制变量法的运用。

【学生活动】分组实验，按照设计好的方案进行操作：

步骤1：保持磁场方向不变，改变电流方向（通过改变电源正负极连接），观察导体棒的运动方向变化。记录现象。

步骤2：保持电流方向不变，改变磁场方向（通过调换磁铁的磁极），观察导体棒的运动方向变化。记录现象。

【教师活动】巡视指导，提醒学生注意观察现象，并注意电路连接的规范性，避免短路。

【学生活动】汇报实验结果。

【教师总结与升华】大量实验事实表明：【重要】1.通电导体在磁场中会受到力的作用而运动。2.通电导体在磁场中受力的方向与电流方向和磁场方向有关。当只改变其中一个方向时，受力方向随之改变；当同时改变两个方向时，受力方向不变。至此，学生对“磁场对通电导体有力的作用”这一核心概念有了直观和深刻的理解。

【拓展延伸】教师设问：“是不是只要通电导体放在磁场中就一定会受力运动？”展示一个特殊位置的实验装置：将导体棒放置在与磁感线平行的方向上，再闭合开关。学生观察到导体棒几乎不动。【难点】教师引导分析：原来，只有当导体中的电流方向与磁感线方向不平行（尤其是垂直）时，才会受到显著的力。为后续理解线圈在平衡位置时的状态埋下伏笔。

2.从直导线到线圈：力的作用的延伸

【教师活动】展示一个单匝矩形线圈，并将其置于磁场中。提出问题：“如果给这个线圈通电，它的两个对边（ab边和cd边）都会受到力的作用，这两个力的方向会怎样？线圈会怎样运动？”引导学生运用刚才得出的结论进行分析。

【学生活动】在导学案的引导下，画出线圈ab边和cd边的电流方向，结合给定的磁场方向，分析两条边所受磁场力的方向。【重要】通过作图分析，学生发现两条边所受的力方向相反，不在同一直线上，因此会形成一个“力偶”，使线圈发生转动。

【演示实验】教师用大型演示用线圈和磁场，验证学生的分析结果。学生看到线圈果然转动起来，但转动到一定位置（平衡位置）时就停下来。

【教师设问】“为什么线圈会停在那个位置？此时它的两个边受力情况如何？”

【学生分析】当线圈平面与磁感线垂直时，ab边和cd边的运动方向（瞬间）与磁感线平行，此时两条边虽然仍受磁场力，但力的方向是沿半径方向（或者说是相互挤压的），无法继续使线圈转动，这个位置被称为“平衡位置”。线圈由于惯性会稍作越过，但很快又会被拉回到这个位置并停下来。【难点突破】

（三）模型进阶，突破难点——让线圈持续转动

1.直面问题：如何让线圈持续转动？

【教师活动】“线圈只能转过半圈就停下来，这显然不是我们想要的电动机。如何让它持续地转动下去呢？”将这个大问题分解为几个小问题引导学生思考。

【学生讨论】要让线圈持续转动，必须在线圈刚转过平衡位置时，改变它所受的磁场力方向。

【教师追问】“怎样才能改变线圈的受力方向？”引导学生回顾结论：改变电流方向或改变磁场方向。

【达成共识】在线圈转动过程中，自动改变磁场方向难度太大，所以最可行的方法是自动改变线圈中的电流方向。

2.启发思维：设计一个“自动反向开关”

【教师活动】“如果让你们来当工程师，设计一个装置，能让线圈每转过半圈，其中的电流方向就自动改变一次，你有什么想法？”鼓励学生大胆设想，可以画图示意。

【学生活动】思考、讨论、尝试提出方案。可能会有学生想到在转轴和电刷连接处做文章。

【教师引导】展示一个简单的“换向器”模型——两个彼此绝缘的半圆形铜环，每个半环分别与线圈的两端连接。用两个电刷分别与电源两极连接，并始终与这两个半环接触。

【动画模拟或模型拆解】教师通过动画或者实物模型，详细讲解换向器的工作过程：

线圈开始转动时，电流路径为：正极→电刷A→左侧半环→线圈ab边→线圈cd边→右侧半环→电刷B→负极。

当线圈转过平衡位置的一瞬间，两个半环所接触的电刷恰好发生交换。此时，电流路径变为：正极→电刷A→右侧半环→线圈cd边→线圈ab边→左侧半环→电刷B→负极。

【结论】电流在线圈中的方向发生了改变，因此它所受的磁场力方向也随之改变，从而保证线圈能够沿着同一个方向持续转动下去。【难点突破】至此，学生理解了换向器的本质：一个随着线圈转动而自动改变线圈内电流方向的“自动开关”。

（四）模型应用，揭秘电动机

1.直流电动机的构造

【教师活动】在理解了核心原理后，系统介绍直流电动机的主要构造：【基础】能够产生磁场的磁体（定子）、能够转动的线圈（转子）、能够让线圈持续转动下去的两个铜半环（换向器）、以及给线圈输送电流的电刷。让学生对照实物或模型，一一辨认这些部件，并说出它们的作用。

2.工作原理解析

【教师活动】引导学生完整地复述直流电动机的工作过程：

（1）启动：线圈通电，在磁场力作用下开始转动。

（2）前半周：线圈受力转动，直至到达平衡位置。

（3）过平衡位置：依靠惯性刚转过平衡位置，换向器自动改变线圈中的电流方向。

（4）后半周：线圈中的电流方向改变，受力方向也随之改变，继续沿原方向转动。

（5）重复步骤（2）-（4），线圈持续转动。

3.能量转化与影响因素

【教师活动】提问：“电动机工作时，消耗了什么能，获得了什么能？”引导学生得出：电能转化为机械能。【基础】

【教师活动】提问：“如果要让电动机转得更快，或者力量更大，可以怎么做？”引导学生结合影响受力大小的因素进行讨论。【重要】讨论得出：可以增强磁场（换更强的磁铁）、增大电流（提高电压）、增加线圈匝数等。【高频考点】

【教师活动】提问：“如果改变电流方向或磁场方向，电动机的转动方向会发生什么变化？”引导学生结合受力方向影响因素得出：转动方向会随之改变。【高频考点】

（五）实践拓展，学以致用

1.制作简易电动机

【课外探究活动建议】布置学生利用课后时间，参考课堂演示的模型，自己动手制作一个简易电动机。材料：漆包线、强力钕磁铁、一节5号电池、两根回形针（做支架）、小木板或底座。要求：线圈要绕制得尽量对称，支架要能灵活转动，线圈两端的引线，一端漆皮全部刮掉，另一端只刮掉半圈（相当于自制了一个简易换向器）。

【设计意图】通过亲手制作，学生将再次经历线圈转动、停止、改进的过程，对换向器的作用产生更深刻的切身体验。制作成功的喜悦感和遭遇失败的分析过程，都是宝贵的学习经历。

2.生活中的电动机

【教师活动】引导学生列举生活中电动机的应用实例，并尝试对其进行分类：家用电器（风扇、洗衣机、冰箱压缩机、吹风机）、交通工具（电动车、地铁、磁悬浮列车）、工业生产（起重机、机床）、办公设备（打印机、扫描仪）、精密仪器（硬盘驱动器、手机振动马达）。通过广泛的举例，让学生深切感受到电动机是现代社会的动力之源。

【情感升华】简要介绍我国在高效节能电机研发、特高压直流输电带动大规模电动设备等方面取得的成就，激发学生的民族自豪感和投身科技事业的志向。

六、板书设计

（一）磁场对通电导体的作用

1.现象：通电导体在磁场中会受到力的作用而运动。

2.方向影响因素：受力方向与电流方向、磁场方向有关。

（1）只改变电流方向，受力方向改变。

（2）只改变磁场方向，受力方向改变。

（3）同时改变电流和磁场方向，受力方向不变。

3.受力大小的影响因素：电流大小、磁场强弱、导体长度（线圈匝数）。

（二）电动机

1.基本构造：磁体（定子）、线圈（转子）、换向器、电刷。

2.工作原理：利用通电线圈在磁场中受力转动的原理工作。

3.关键部件——换向器：

（1）作用：当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续转动下去。

（2）构造：两个彼此绝缘的半圆形铜环。

4.能量转化：电能→机械能。

5.转向改变：改变电流方向或改变磁场方向。

七、教学反思与评价

本节课的设计