初中物理九年级全一册《磁场对电流的作用：电动机》导学案

初中物理九年级全一册《磁场对电流的作用：电动机》导学案

一、教学内容分析

（一）【基础】课程标准深度解读与教材定位

本节课内容属于义务教育物理课程标准（2022年版）一级主题“能量”下的二级主题“电磁能”。标准要求：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；了解直流电动机的工作原理，知道换向器的作用；能够用所学知识解释生活中的电磁现象。教材在“电与磁”这一章中，前序安排了磁现象、磁场、电生磁等内容，为学生理解“磁如何对电产生作用”奠定了知识基础。本节课正是对“电”与“磁”两大现象相互作用的深化探究，实现了从“电生磁”到“磁对电产生力”的认知跃迁，是电磁学知识体系中的关键枢纽，也为后续学习“磁生电”（电磁感应）埋下伏笔，具有承上启下的重要作用。

（二）【重要】核心素养导向下的多元目标建构

1.物理观念：构建“运动与相互作用”观念，理解电与磁之间的相互作用不是单向的，电能可以通过磁场的作用转化为机械能。建立正确的能量观，明确电动机是将电能转化为机械能的装置。

2.科学思维：通过探究实验，培养基于证据进行归纳、分析、推理的能力。能够运用“控制变量法”研究多因素影响问题。通过分析线圈受力从“转动”到“不能持续转动”再到“如何持续转动”的思维进阶，【难点】培养模型建构和批判性思维，理解理想模型与工程实现之间的差距。

3.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。能够设计实验探究通电导体受力方向与电流方向、磁场方向的关系。

4.科学态度与责任：在小组合作制作简易电动机的过程中，培养严谨认真、精益求精的科学态度和团队协作精神。【热点】了解电动机在新能源汽车、智能制造、家用电器等领域的广泛应用，体会物理学对人类社会进步和科技发展的巨大推动作用，增强科技强国的社会责任感。

二、学情分析

（一）知识储备分析

学生已经学习了磁体、磁场、磁感线的基本概念，掌握了电流的磁效应（奥斯特实验），知道了通电螺线管的磁场。在生活中，学生对电风扇、电动车、电动玩具等含有电动机的设备有丰富的感性认识，但对电动机“为什么会转”缺乏理性认知。学生的数学基础能够支持其对简单方向变化的描述。

（二）【难点】认知障碍与学习痛点分析

1.受力方向的空间想象困难：磁场和电流均在三维空间中，学生难以直观想象通电导线（特别是线圈）在磁场中受力的方向及其变化规律。

2.持续转动的逻辑断层：学生容易理解通电线圈在磁场中会转动，但很难理解为什么线圈会在平衡位置停下来，更难想到通过改变电流方向来使其持续转动。从“无法持续”到“持续转动”的思维跨越是本节课最大的认知难点。

3.换向器的抽象性：换向器是如何自动改变电流方向的，其结构和工作原理非常微观和抽象，是学生理解的另一大【难点】。

4.前概念干扰：部分学生容易将电动机原理与之前学习的发电机原理混淆，或者认为只有磁体才能吸引通电导线。

三、教学目标与核心素养关联

【基础】知识与技能：能说出通电导体在磁场中受力的方向与电流方向、磁感线方向有关；能画出直流电动机的构造简图，标明线圈、磁体、换向器、电刷等部分；能解释换向器在直流电动机中的作用。

【重要】过程与方法：通过实验探究，学会使用控制变量法研究物理规律；通过分析电动机模型，建立将实际问题转化为物理模型的分析方法。

【非常重要】情感、态度与价值观：在经历“尝试—失败—改进—成功”的简易电动机制作过程中，培养面对困难的韧性和解决问题的成就感；关注电动机技术的现代应用，增强将物理知识服务于社会的意识。

四、【重要】教学重点与难点

（一）教学重点

1.通电导体在磁场中受力方向与电流方向、磁场方向的关系。

2.直流电动机的基本构造和工作原理。

（二）教学难点

1.理解线圈在平衡位置受力情况，以及换向器使线圈持续转动的原理。

2.基于“半周刮漆”或“换向器”的物理模型，理解电流方向自动切换的机制。

五、【基础】教学准备

（一）教师准备

1.演示器材：U型磁铁、电源、开关、导线、光滑金属导轨、铜棒（或直导体）、实物电动机模型（可拆式）、大型演示用换向器模型、自制电动机教具。

2.多媒体资源：电动机内部结构动画、换向器工作动态模拟视频、新能源汽车驱动电机工作视频。

3.分组实验器材（15-20组）：漆包线（直径0.3-0.5mm）、强力钕磁铁（纽扣型或方块型）、5号电池盒（带开关）、5号电池、粗铜导线（做支架用）、小木板或硬纸板底座、砂纸、小刀、螺丝、导线夹等。

4.学习任务单：包含实验记录表格、问题链、评价量表。

（二）学生准备

复习奥斯特实验，思考电与磁之间可能存在的其他相互作用。预习教材相关内容，提出1-2个自己最感兴趣的问题。

六、【非常重要】教学实施过程（核心环节）

（一）【热点】创设情境，激趣导入（预计用时：5分钟）

【情境1】科技前沿速览

播放一段约30秒的短视频，内容为：特斯拉工厂里，无数机械臂（内含伺服电机）精准地装配汽车；比亚迪新能源汽车疾驰而过；大疆无人机在空中悬停、旋转。教师提问：这些现代化的设备能够运动、工作，靠的是什么核心部件？学生很容易回答出“电机”或“马达”。

【情境2】认知冲突激发

教师展示一个拆开了外壳的废旧玩具电动机，并用手转动其转子。提问：就这么一个小东西，为什么通电后就能高速旋转？里面到底藏着什么秘密？它遵循了怎样的物理规律？

【过渡语】今天，我们就来当一次“电机工程师”，一起揭开电动机转动的奥秘，亲手制造出属于自己的电动机。这节课，我们将学习——磁场对电流的作用：电动机。

（设计意图：从震撼的科技应用场景切入，激发民族自豪感和学习兴趣；通过拆解实物，将抽象问题具象化，直指课题核心，迅速集中学生注意力。）

（二）【基础】实验探究：磁场对通电导体的作用（预计用时：15分钟）

1.问题引导，猜想假设

教师展示实验装置：将一根铜棒放在两根平行的光滑金属导轨上，导轨下方放置一块U型磁铁，使铜棒正好处于磁铁的磁场中。将导轨通过开关、导线连接到电源上。

教师提问：当闭合开关，铜棒中有电流通过时，它会运动起来吗？如果会，它朝哪个方向运动？运动方向可能与哪些因素有关？

学生依据生活经验和磁体间相互作用的知识进行猜想：可能会运动；可能与电流方向有关、可能与磁场方向有关、可能与铜棒的材料有关等。

2.设计实验，明确方法

教师引导学生明确：当研究多个可能因素时，我们应采用什么方法？——【重要】控制变量法。

师生共同设计实验方案：

研究受力方向与电流方向的关系：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），观察铜棒运动方向。

研究受力方向与磁场方向的关系：保持电流方向不变，改变磁场方向（将磁铁的N、S极对调），观察铜棒运动方向。

3.分组合作，进行实验

学生分组操作，教师巡视指导，强调电路连接的规范性（开关应处于断开状态连接电路），提醒学生注意观察现象并记录在任务单上。

实验记录表示例：

实验次数电流方向磁场方向导体运动方向

1从A到BN极在上向左

2从B到AN极在上向右

3从A到BS极在上向右

4.分析论证，归纳结论

小组代表汇报实验现象。教师引导学生分析数据：

对比1和2：磁场方向不变，电流方向改变，受力方向改变。

对比1和3：电流方向不变，磁场方向改变，受力方向改变。

【追问】如果同时改变电流方向和磁场方向，受力方向会怎样？

学生推测：方向应该不变。

教师演示验证（或引导学生推理），确认结论。

【非常重要】最终师生共同总结出核心结论：

（1）通电导体在磁场中会受到力的作用。

（2）受力的方向跟电流方向、磁感线方向（磁场方向）有关。当电流方向或磁场方向变得相反时，通电导体的受力方向也变得相反；当电流方向和磁场方向同时变得相反时，通电导体的受力方向不变。

教师顺势引出左手定则（安培定则）：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受力的方向。通过简单练习，让学生初步体验左手定则的用法。

（设计意图：严格遵循科学探究的七要素，让学生亲历知识发现的过程，不仅掌握了物理规律，更锻炼了科学思维和探究能力。左手定则作为判断方向的工具，适时引入，帮助学生实现从定性感知到定量判断的跨越。）

（三）【重要】模型进阶：从一根导线到矩形线圈（预计用时：8分钟）

1.问题迁移

教师提问：一根通电导线在磁场中会受力运动，那如果我们把这根导线弯折成一个矩形线圈，放在磁场中，线圈会怎样？

2.模型构建与受力分析

教师展示一个矩形线圈模型（用粗铜丝制作，可以绕轴转动），并借助多媒体动画或板画，引导学生分析ab边和cd边的电流方向（相反）以及磁场方向（相同），从而推断两边受力方向。

学生根据刚学的左手定则进行分析：【高频考点】由于ab边和cd边的电流方向相反，它们受到的磁场力方向也相反（一个向上，一个向下）。这一对力不在同一直线上，构成了一个力矩，从而使线圈发生转动。

3.现象演示与问题发现

教师演示通电线圈在磁场中的转动实验（使用没有换向器的简单线圈）。学生观察到：线圈并不能持续转动，而是在来回摆动几下后，停在了一个水平位置（平衡位置）。

【难点】教师追问：为什么线圈不能持续转动，最终停在了这个位置？

引导学生分析平衡位置：当线圈平面与磁感线垂直时，ab边和cd边受到的力仍然方向相反，但此时这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，是一对平衡力。这个位置称为平衡位置。线圈由于惯性会越过平衡位置，但一旦越过，力的方向就不再推动它继续沿原方向转动，而是把它拉回来，因此线圈会在平衡位置附近来回摆动几下，最终因阻力停止在平衡位置。

（设计意图：通过从简单到复杂的模型递进，将抽象的线圈受力过程可视化、可分析化，引导学生自主发现“不能持续转动”这个核心问题，为引出换向器做好充分铺垫，激发学生解决问题的内驱力。）

（四）【难点】工程思维：破解持续转动的密码——换向器（预计用时：12分钟）

1.头脑风暴：如何解决？

教师设置问题情境：如何让线圈越过平衡位置后，受到的力不再是阻力，而依然是动力？引导学生思考：如果线圈转过平衡位置后，能自动改变ab边和cd边中的电流方向，那么它们的受力方向就会变得与过平衡位置前相同，从而继续推动线圈转动。

学生分组讨论，提出各种创意方案，例如：用手快速交换导线、用一个自动的开关等。

2.科学史浸润与模型解析

教师讲述：伟大的发明家们也曾为此绞尽脑汁，最终他们发明了一个精巧的装置——换向器。

教师展示大型演示用换向器模型（两个铜半环、两个电刷）。结合动画，详细拆解其工作原理：

（1）结构介绍：两个铜半环分别与线圈的两端相连，它们彼此绝缘，随线圈一起转动。两个电刷（通常是碳刷或金属片）固定不动，分别与电源的正负极相连，并紧压在半环上滑动接触。

（2）动态分析：

【非常重要】线圈处于图甲位置（刚启动时）：电流从正极出发，通过电刷A、左侧半环、流入线圈ab边，从cd边流出，经过右侧半环、电刷B回到负极。ab边受力向上，cd边受力向下，线圈顺时针转动。

线圈转过平衡位置一小角度（图乙位置）：此时，两个半环虽然也随线圈转过一定角度，但由于电刷是固定的，原本与左侧电刷A接触的左侧半环，现在与右侧电刷B接触了；原本与右侧电刷B接触的右侧半环，现在与左侧电刷A接触了。这就相当于电源的正负极自动对调了！

电流路径改变：电流从正极出发，通过电刷A，但现在电刷A接触的是右侧半环，电流从右侧半环流入线圈，此时线圈中电流方向与图甲相反。因此，ab边受力变为向下，cd边受力变为向上，但线圈依然受到顺时针方向的力矩，继续顺时针转动。

线圈每次转过平衡位置，换向器就自动改变一次线圈中的电流方向，从而保证线圈受到的力矩方向始终一致，实现持续转动。

3.类比强化

教师将换向器比作一个“智能指挥员”，每当线圈跑到“临界点”（平衡位置）时，它就立刻下令：“全体注意！电流方向反转！”这样，士兵们（线圈边）受力的方向就始终是朝着一个方向使劲，于是就能不停地转下去了。

（设计意图：通过头脑风暴调动学生的参与感和创造性，再引入科学史上经典的解决方案，让学生在“山重水复疑无路”时，感受“柳暗花明又一村”的豁然开朗。动画演示和模型拆解相结合，彻底攻克换向器这一【难点】。）

（五）【高频考点】学以致用：电动机的构造与应用（预计用时：5分钟）

1.总结构造，规范术语

教师结合刚才的模型和拆解的实物电动机，总结直流电动机的构造：

【重要】定子：产生磁场的部分（磁体）。

【重要】转子：转动的部分（线圈）。

换向器（由两个铜半环组成）和电刷。

2.能量视角的升华

教师提问：电动机通电后转动，可以带动其他机械工作，这里面发生了怎样的能量转化？

引导学生得出：【基础】电能转化为机械能。同时，由于导线有电阻，线圈转动时会发热，还有一部分电能转化为内能。

3.现代应用拓展

播放一段新能源汽车永磁同步电机拆解和工作的视频，介绍现代高性能电机依然遵循着相同的物理原理，但通过更先进的结构、材料和控制系统（如变频器代替了传统的换向器和电刷，实现了无级调速和更高的效率），实现了性能的巨大飞跃。让学生感受到物理原理的基础性与现代工程技术的发展性。

（六）【热点】实践创新：制作简易直流电动机（跨学科实践活动）（预计用时：20分钟，可与课后结合，此处设计为课堂启动+课后完善）

1.项目任务

以小组为单位，利用提供的材料（漆包线、磁铁、电池、曲别针/粗铜线、小木板等），制作一个能持续转动的简易直流电动机。

2.方案设计与迭代

教师提供“半周刮漆”的巧妙方法（这是简易版“换向器”）：

线圈两端引线的漆皮处理：一端引线的漆皮全部刮掉；另一端引线的漆皮只刮掉半周（上半周或下半周）。这样，当线圈转动时，引线与支架的接触点会周期性地通断和改变有效接入电路的部分，从而实现类似于换向器的效果。

学生分组绕制线圈、搭建支架、安装磁铁、连接电路。

3.问题诊断与调试

教师巡回指导，这是学生遇到问题最多、收获也最大的环节：

问题1：线圈不转。可能原因：支架与转轴摩擦太大（调整支架高度和位置）、磁铁磁性太弱（更换更强磁铁或增加磁铁）、电路不通（检查所有连接点、检查漆皮是否刮净）、线圈处于平衡位置（用手轻轻拨动一下帮助启动）。

问题2：线圈转动不畅、抖动。可能原因：线圈绕制不匀称、转轴不水平。

问题3：转速慢。可能原因：电池电压低、线圈匝数不合适。

4.成果展示与评价

让成功的小组上台展示他们的电动机，分享制作经验和解决问题的“妙招”。使用评价量表（包含原理理解、工艺水平、创新点、团队协作等维度）进行小组互评和教师点评。

（设计意图：将知识应用于实践，实现“做中学”。制作过程充满挑战，学生必须综合运用本节课所学知识去分析、调试、解决问题，培养了工程实践能力和批判性思维，将核心素养的培育落到了实处。）

七、【重要】板书设计

初中物理九年级全一册《磁场对电流的作用：电动机》

一、磁场对通电导体的作用

1.现象：通电导体在磁场中受到力的作用。

2.方向：跟电流方向、磁场方向有关。

（左手定则）

3.能量转化：电能→机械能

二、直流电动机

1.基本构造：定子（磁体）、转子（线圈）、换向器、电刷

2.工作原理：通电线圈在磁场中受力转动。

3.【难点】换向器作用：当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动。

4.平衡位置：线圈平面与磁感线垂直的位置（受力平衡，靠惯性通过）。

八、【基础】作业与拓展

（一）基础性作业（面向全体）

1.完成课后“动手动脑学物理”相关练习题。

2.简述直流电动机换向器的