初中物理九年级全一册电生磁及其应用教案

初中物理九年级全一册电生磁及其应用教案

一、教学背景与学情分析

本节内容选自人教版初中物理九年级全一册第二十章《电与磁》的第三节与第四节，是电磁学部分的核心枢纽，在整个初中物理体系中承上启下，地位至关重要。学生在之前的学习中已经掌握了电荷、电流、电路、磁场等基本概念，本节将实现电与磁的首次深刻联系，揭示“电生磁”的本质规律（电流的磁效应），并以此为基础，学习两项具有里程碑意义的重大技术应用——电磁继电器和电动机。这不仅是对物理规律的深化理解，更是物理观念从理论走向实践、服务社会生产的典范。

从学生认知角度看，九年级学生已具备一定的逻辑推理能力和实验探究兴趣，但将抽象的物理规律与复杂的实物装置进行联系，并理解其动态工作过程，仍存在较大挑战。特别是电动机中“换向器”的工作原理，是传统的教学难点。同时，学生对于技术发明的历史背景和社会价值往往缺乏深层次认识。因此，本教学设计旨在通过重构知识呈现序列、强化探究深度、创设真实技术情境、引入项目式学习元素，引导学生跨越认知障碍，实现物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大核心素养的融合发展。

二、教学目标

（一）物理观念

1.理解电流的磁效应，知道通电导线周围存在磁场，磁场方向与电流方向有关。

2.掌握通电螺线管外部磁场的分布特点及与条形磁体的相似性，理解安培定则（右手螺旋定则）并会熟练应用。

3.从能量转化角度，理解电磁铁、电磁继电器和电动机的本质是电能向磁能再向机械能的转化装置，建立初步的“电能-磁能-机械能”能量观。

（二）科学思维

1.通过对比奥斯特实验前后对电与磁关系的认识，培养批判性思维和历史唯物主义观点。

2.运用模型建构思想，将电磁继电器抽象为由控制电路和工作电路组成的自动开关模型，将电动机抽象为“磁场对通电导线有力的作用”与“换向器适时改变电流方向”的组合动力模型。

3.通过分析电磁铁磁性强弱的影响因素实验，学习控制变量法和归纳推理法。

（三）科学探究

1.经历重现奥斯特实验的过程，培养观察、描述物理现象的能力。

2.通过小组合作，自主设计并实施探究“影响电磁铁磁性强弱因素”的实验，提升实验设计、操作、数据收集与分析、结论得出的综合探究能力。

3.动手制作简易电动机模型，在调试与改进中深化对原理的理解，培养工程实践与问题解决能力。

（四）科学态度与责任

1.通过了解奥斯特、法拉第等科学家的探索历程，体会科学发现的偶然性与必然性，培养坚持不懈的科学精神。

2.认识电磁继电器和电动机在现代生产生活中的广泛应用，理解物理学对技术进步和社会发展产生的巨大推动作用，激发学习物理、服务社会的责任感。

3.在小组探究与制作活动中，培养合作交流、严谨认真、敢于创新的态度。

三、教学重点与难点

教学重点：

1.电流的磁效应及安培定则的应用。

2.电磁铁的构成及磁性强弱的影响因素。

3.电磁继电器的工作原理及在电路中的作用。

4.电动机的基本构造与工作原理。

教学难点：

1.安培定则（右手螺旋定则）的空间想象与熟练应用。

2.电磁继电器作为自动控制电路“开关”的电路分析与实物连接。

3.直流电动机中换向器的作用与工作原理的动态过程分析。

四、教学资源准备

1.教师演示用：奥斯特实验装置（电池、导线、小磁针）、大型通电螺线管模型（透明，可显示绕线方向）、电磁铁演示仪（带滑动变阻器、可更换匝数）、电磁继电器实物及剖面模型、直流电动机实物模型（可拆解）、多媒体课件、仿真实验软件。

2.学生分组探究用（4-6人一组）：干电池组（或学生电源）、导线、开关、小磁针、漆包线（不同规格）、铁芯（铁钉、圆柱形铁棒）、滑动变阻器、大头针（或回形针）一盒、电流表、电磁继电器实验套件（含低压控制电路和高压模拟工作电路）、简易电动机制作套件（磁铁、漆包线、轴、电池座、导线、鳄鱼夹、砂纸）。

3.数字化资源：相关科学家生平与实验历史的微视频；电磁起重机、自动化生产线、各类电动机（电动车、风扇、洗衣机等）工作视频；电动机工作原理3D动画。

五、教学过程设计（两课时连排，共90分钟）

第一课时：电生磁的发现与电磁铁

（一）创设情境，以史为引（约8分钟）

课件播放两张图片对比：工业革命早期的纯机械作坊与现代高度自动化的智能工厂流水线。

教师提问：“是什么力量驱动了从‘机械臂力’到‘电磁控制’的跨越？这场伟大变革的物理源头，始于一次被载入史册的实验。”

播放微视频《奥斯特的偶然与必然》，简述19世纪初科学界普遍认为电与磁无关的背景，以及1820年奥斯特在讲座中偶然发现通电导线使小磁针偏转的故事。

引出课题：“今天，我们将沿着奥斯特的足迹，亲手重现这个划时代的发现，并探索它如何点亮了现代技术的星空。”

（二）探究活动一：重现奥斯特实验（约10分钟）

学生活动：每组分发电池、导线、小磁针。首先确认导线不通电时，小磁针静止指向南北。然后，将导线沿南北方向平行置于小磁针上方，闭合开关。

观察与思考：

1.小磁针是否发生偏转？这说明了什么？（通电导线周围存在磁场）

2.断开开关，现象如何？（小磁针恢复原状，说明磁场随电流消失而消失）

3.改变电池正负极连接（即改变电流方向），小磁针偏转方向有何变化？（偏转方向相反，说明磁场方向与电流方向有关）

教师总结：通电导线周围存在与电流方向有关的磁场，这种现象称为电流的磁效应。它首次揭示了电与磁之间的内在联系。

（三）建构模型，深化认知：通电螺线管与安培定则（约15分钟）

过渡提问：“单根导线磁场太弱，如何增强它的磁性？”

演示：将导线绕成螺线管，接入电路，靠近小磁针。现象：磁性大大增强。

学生活动：用漆包线自制一个螺线管（约10-15匝），接入电路，用螺线管的一端分别靠近小磁针的N、S极，观察吸引或排斥现象，判断螺线管两端相当于磁体的哪一极。改变电流方向，再次判断。

发现问题：如何系统、准确地判断通电螺线管的极性？

引入物理工具：安培定则（右手螺旋定则）。

教师讲解与示范：用大型透明螺线管模型，演示用右手握住螺线管，让四指弯曲方向与电流方向一致，则拇指所指方向即为螺线管内部磁感线方向（即N极）。

学生练习：

1.根据模型上的电流方向，判断N极。

2.根据给定的N极方向，判断螺线管中电流方向。

3.课件出示不同绕向的螺线管图示，进行快速判断练习。

强调：安培定则描述的是电流方向与磁场方向的关系，是解决此类问题的核心思维工具。

（四）探究活动二：自制电磁铁与探究其磁性强弱（约20分钟）

提问：“给螺线管插入铁芯，磁性会怎样？”演示插入铁芯前后吸引大头针数量的对比，引出“电磁铁”概念。

提出探究课题：“电磁铁的磁性强弱，可能与哪些因素有关？”

学生小组讨论，提出猜想：电流大小、线圈匝数、有无铁芯、铁芯粗细等。

引导设计实验：明确主要探究前两个因素。如何测量磁性强弱？（用吸引大头针的数量或能承受的重物重量来间接反映）如何改变电流大小？（串联滑动变阻器）如何改变线圈匝数？（使用不同长度的漆包线绕制，或使用有抽头的现成线圈）

分组实验：各组利用所给器材，设计实验步骤，记录数据（可设计如下记录思路：控制匝数不变，改变电流，记录吸引大头针数目；控制电流不变，改变匝数，记录吸引大头针数目）。

交流与论证：各组汇报实验数据与结论。

教师引导总结：电磁铁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。电磁铁的优点：磁性有无由电流通断控制；磁极方向由电流方向控制；磁性强弱由电流大小和匝数调节。这为它的应用奠定了坚实基础。

（五）课堂小结与铺垫（约7分钟）

教师引导学生以思维导图形式回顾本课时核心内容：奥斯特实验（现象、结论）→通电螺线管（增强磁场的方法、安培定则）→电磁铁（定义、影响磁性强弱的因素、优点）。

预告下节课：“我们赋予了铁块‘通电解磁’的神奇能力。如何利用这个‘听话’的磁铁，去指挥更强大的力量，或者让物体持续转动起来？这就是电磁继电器和电动机的故事。”

第二课时：从控制到转动——电磁铁的应用

（一）情境导入：低压控高压的挑战（约5分钟）

展示图片：大型水库的泄洪闸门、高压变电站的开关。

提出问题：“如果需要用教室里的3V电池开关，去控制这些高达几千伏电压的闸门或开关，如何安全实现？能否用我们手边的电磁铁设计一个解决方案？”

学生头脑风暴。引出“电磁继电器”——用电磁铁制成的自动开关。

（二）解构与分析：电磁继电器工作原理（约20分钟）

实物展示：展示电磁继电器实物，拆解其剖面模型，对照课件上的结构图，认识各部件：电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点（常开触点、常闭触点）。

动态演示：连接一个简单电路。低压控制电路（学生电源、开关、电磁继电器线圈）接通时，观察电磁铁吸引衔铁，带动动触点与常开触点闭合。断开控制电路，观察弹簧将衔铁拉回，动触点与常开触点断开。

概念建构：

1.控制电路：由低压电源、开关、电磁铁线圈组成。功能是控制电磁铁磁性的有无。

2.工作电路：由高压电源（或危险环境电源）、用电器、继电器的触点部分组成。功能是执行实际工作任务。

核心理解：电磁继电器本质是一个利用电磁铁控制工作电路通断的开关。实现了“低压控高压、弱电控强电、远距离控制、自动控制”。

学生实践：分发电磁继电器实验套件。任务一：根据电路图，连接一个利用继电器控制小灯泡（模拟高压用电器）的电路。任务二：改进电路，实现用光敏电阻或热敏电阻（替换控制电路中的开关）来自动控制小灯的亮灭。

应用拓展：播放视频，展示电磁继电器在自动化生产线、汽车控制、安全防护系统（如电梯门防夹）中的应用实例。

（三）探究核心：磁场对通电导线的作用（约15分钟）

过渡：“继电器实现了控制，而让机器持续转动，则是另一项伟大发明——电动机的使命。它的核心原理又是什么？”

学生探究实验：参照教材活动，将一段直导线悬挂在马蹄形磁铁磁场中，导线两端通过柔软导线接入电路。接通电源，观察导线运动；改变电流方向或改变磁场方向，观察导线运动方向的变化。

分析总结：通电导线在磁场中受到力的作用；力的方向与电流方向、磁场方向有关，三者关系可用左手定则判断（初中阶段仅作了解，重点知道方向会变）。

深化思考：如何让这根导线在磁场中持续转动起来，而不是摆动一下？

（四）模型建构与难点突破：直流电动机（约25分钟）

1.从“一段导线”到“线圈”：将直导线弯成矩形线圈，放入磁场。分析线圈两边受力情况，发现线圈在平衡位置（线圈平面与磁感线垂直）时，两边受力大小相等、方向相反且在同一直线上，无法转动。这是线圈转动的“死点”。

2.核心发明——换向器的引入：展示直流电动机可拆解模型，重点观察“换向器”（两个半圆铜环）和“电刷”。用3D动画模拟线圈转动过程。

1.3.动画分解步骤一：线圈从任意位置开始，在磁场力作用下转动。

2.4.动画分解步骤二：当线圈刚转过平衡位置，换向器自动改变流入线圈的电流方向。

3.5.动画分解步骤三：电流方向改变后，线圈两边受力方向也相应改变，从而保证线圈能继续沿原方向转动下去。

形象比喻：换向器就像是一个“自动倒向开关”，在关键时刻（线圈过平衡点）给线圈的“动力方向”换向。

6.学生制作与调试：分发简易电动机制作套件。学生参照指导图，绕制矩形线圈，刮去一端漆皮的全部，另一端只刮半周（模拟简易换向器功能）。将线圈放在支架上，置于磁铁磁场中，用电刷（鳄鱼夹）连接电池。调试线圈平衡，尝试让其持续转动。在调试中直观体会“换向”的重要性。

7.回归整体：总结直流电动机的组成部分：转子（线圈）、定子（磁体）、换向器、电刷。能量转化：电能→机械能。

（五）应用、比较与总结（约10分钟）

视频集锦：展示电动机在家用电器、交通工具、工业设备中的无处不在。

对比电磁继电器与电动机：两者核心都是“电生磁”。继电器利用电磁铁产生磁性实现机械控制（开关），最终目的是控制电路；电动机利用磁场对电流的作用力产生持续的机械转动，最终目的是输出机械能。

课堂总结：以“电生磁”为核心线索，串联起从奥斯特实验（科学发现）到电磁铁（增强与控制）再到电磁继电器和电动机（技术创新应用）的知识网络。强调物理规律作为技术基石的价值。

六、板书设计（提纲式与图示结合）

主标题：电生磁及其应用

一、电流的磁效应（奥斯特实验）

1.现象：通电导线使小磁针偏转。

2.结论：通电导线周围存在磁场；磁场方向与电流方向有关。

二、通电螺线管（增强磁场）

1.磁场与条形磁体相似。

2.安培定则（右手螺旋定则）：判断N极。

三、电磁铁（螺线管+铁芯）

1.优点：磁性有无可控、磁极方向可控、磁性强弱可控。

2.磁性强弱因素：电流大小、线圈匝数。

3.应用一：电磁继电器

1.4.结构：（图示：电磁铁、衔铁、触点）

2.5.本质：由电磁铁控制的自动开关。

3.6.电路：控制电路（低压）+工作电路（高压/危险）。

4.7.功能：低压控高压、远距控制、自动控制。

四、磁场对通电导线的作用力

1.导线受力运动。

2.受力方向与电流方向、磁场方向有关。

五、电动机（持续转动的实现）

1.基本构造：（图示：转子线圈、定子磁体、换向器、电刷）

2.工作原理：磁场对通电线圈有力的作用+换向器适时改变电流方向。

3.能量转化：电能→机械能。

七、作业设计（分层与拓展）

基础巩固层（必做）：

1.绘制思维导图，梳理本节“电生磁”知识脉络。

2.完成课后基础练习题，重点练习安培定则的应用、电磁继电器电路分析简图。

3.列举家中三种使用了电动机的电器，并简述电动机在其中所起的作用。

能力提升层（选做）：

1.设计一个利用电磁继电器和温控开关（可查阅资料）实现的恒温孵化箱的电路原理图，并说明工作过程。

2.查阅资料，比较直流电动机与交流电动机在结构和工作原理上的主要区别。

3.分析在自制简易电动机调试中，如果线圈无法持续转动，可能存在哪些原因？如何逐一排查解决？

实践拓展层（项目式学习，小组合作）：

项目主题：“制作一个微型自动化系统模型”。

任务要求：利用电磁继电器、小电动机、传感器（如干簧管、光敏电阻等）、简单材料（纸板、木棍等），设计并制作一个模型