初中物理人教版（2024）九年级全册（2024）第二十章 电与磁第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机教学设计

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年级
九年级
学科
物理
教师
课题
第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机
教学
目标
物理观念
制作简易直流电动机，加深对直流电动机相关知识的认识。
科学思维
设计简易直流电动机制作方案，基于电与磁的知识对方案的合理性进行分析。
科学探究
在制作简易直流电动机活动中，能综合运用所学知识解决遇到的问题。
科学态度
与责任
在实施过程、讨论交流、作品展示中，提升工程实践与合作学习的能力，增强对物理学与日常生活、工程实践间联系的认识，树立学以致用的思想。
教材
分析
学生已经学习了磁场对通电导线的作用、电动机的基本构造等内容。本节通过亲手制作简易直流电动机，让学生从理论走向实践，深化对电动机工作原理的认识，提高学生的实践技能，培养学生综合运用知识解决实际问题的能力，提升学生的核心素养。
学情分析
1. 知识储备分析：学生在之前的学习中已经学习了磁场对通电导线的作用、电动机的基本构造等内容，这为制作电动机模型打下了良好基础。
2. 学习难点分析：自制电动机模型需要一定的手工制作技巧，对器材也有一定的要求，模型制作好后，可能不一定转动，对于故障的处理，学生可能感到有一定难度。但是九年级的学生对该模型的制作非常感兴趣，在老师的引导下，会排除各种故障，取得成功。
教学重点
制作简易直流电动机。
教学难点
解决制作过程中的技术难题。
教学
器材
漆包线（刷有绝缘漆的铜导线）、强磁体、电池、羊眼钉、木块、小刀等。
多媒体ppt，包含视频《自制电动机模型》。
教学过程
教师活动
学生活动
导入新课
【问题】你见过会运动的玩具车吗？玩具车为什么会运动？是因为里面有一个直流电动机，这节课我们制作一台简易的直流电动机。
激发兴趣，进入情景。
学习新课 一、制作简易直流电动机
1. 项目提出
回忆前面学习过的直流电动机的工作原理。直流电动机中加装了换向器，使线圈利用惯性转过平衡位置后，改变了电流的方向和受力方向，使线圈继续转动。
利用前面学习过的直流电动机的工作原理，你可以制作一台简易的直流电动机。
2. 项目分析
我们知道，电动机主要由线圈和磁体组成，要制作直流电动机，需要考虑以下问题。
（1）用什么样的导线绕制线圈？绕制的匝数多少为宜？
（2）哪部分作为转子？哪部分作为定子？
（3）如何保证通电线圈能在磁场中持续转动？
【分析】
（1）用什么样的导线绕制线圈？绕制的匝数多少为宜？
可以选择直径约0.5 mm的漆包线作为导线，原因是漆包线表面有绝缘漆，可避免线圈匝间短路。
线圈匝数以5~10匝为宜，匝数过少磁场产生的作用力较小，匝数过多线圈会过重且电阻会增大。
也可分组尝试绕制不同匝数（如5匝、10匝、20匝），通过对比简易电动机的转速找到最适合的匝数。
（2）哪部分作为转子？哪部分作为定子？
从方便制作的角度，定子通常为磁体，可以用强磁体、一块蹄形磁体或两块条形磁体作定子。
转子就是通电线圈。设计时磁体固定于底座上，线圈放在支架（曲别针）上，确保转动时摩擦力较小。
（3）如何保证通电线圈在磁场中持续转动?
可以把导线的一端刮去全部绝缘漆，另一端刮去半周绝缘漆，来保证线圈持续转动。
3. 项目实施
根据每个人的个性化设计可以制作出不同的直流电动机。下面是一个比较简单的电动机设计和制作方法，可以参考。
（1）实验器材：漆包线（刷有绝缘漆的铜导线）、强磁体、电池、羊眼钉、木块、小刀等。
（2）制作步骤
①把一段粗漆包线绕成约 3cm×2cm的矩形（或椭圆形）线圈 ，作为转子。从线圈的两端各拉出约2cm的漆包线作为转轴。用小刀刮去线圈两端引线的漆皮，把左端全部刮掉，右端只刮半周。
②把两枚曲别针做成U形支架。
③用连有开关的导线将电池的正负极和曲别针支架连接。
④将曲别针插入硬纸板底座，并将线圈两端的引线搭接在U形支架上。
⑤将强磁体放在线圈下面的硬纸板上。
⑥闭合开关，轻轻推动线圈，观察线圈能否连续转动。
【播放视频】——《自制电动机模型》
（3）项目设计要解决的问题及操作方法示例
序号
要解决的问题
操作方法
需要的材料
1
制作
线圈
将漆包线绕成圆环状，紧密缠绕5~10匝，两端各留2cm引线
漆包线、
胶带
2
制作换向器
用小刀刮去两端引线的漆皮，
一端全部刮掉，另一端只刮半周
小刀
3
搭建
支架
用曲别针弯折成两个U形支架，固定在硬纸板上，确保顶部支撑点水平对齐
曲別针，硬纸板、胶水
4
安装
磁体
将强磁体放置在线圈正下方
强磁体
5
安装
电源
将线圈引线架在支架上，与电池、开关连接，确保刮漆面接触良好
电池，开关

4. 展示交流
（1）请大家展示自己制作的简易直流电动机，并说明是怎样实现让线圈连续转动的，看看谁的电动机设计得更巧妙。
（2）你的电动机线圈匝数是多少？转子在转动时，转轴受到的摩擦情况如何？
（3）观察哪个电动机转动得更快。它们可以带动其他装置旋转吗？
附：简易直流电动机制作项目评价表示例
小组名称:________评价者:_________（自评/互评/师评）
评价
维度
评价指标
等级（优秀/良好/合格/待改进）
评语/
建议
科学
思维
①能精准分析电动机的工作原理，逻辑严谨
②在设计与制作中，能运用控制变量的方法思考问题，如探究线圈匝数与转速的关系
技术与
工程
①电动机结构设计合理，易于组装
和调试，具备一定的稳定性和耐用性
②熟练掌握制作工具和材料的使用，
操作规范，制作工艺精细
③能根据实际情况对设计进行优化、
解决制作过程中遇到的问题
交流与
合作
①小组内沟通顺畅、互相
分享想法和经验
②积极倾听他人意见，尊重
不同观点，共同解决问题
③成员分工明确，各司
其职，高效完成任务
创新
与
实践
① 在电动机的设计和制作中，
提出独特的创意和方法
②勇于尝试新的材料、结构或
制作工艺，效果良好
③能将理论知识灵活应用于实践，
制作出性能优良的电动机
回忆学习过的直流电动机的工作原理。
小组交流思考3个问题并回答。
制定出制作方案。
选择实验器材。
分组进行制作。
观看视频。
了解项目设计要解决的问题及操作方法示例。

展示自己制作的简易直流电动机。
各小组根据表中标准进行评价。
课
堂
练
习
课
堂
练
习
1．小明周末在家发现了如图1所示的材料，当小明将强磁铁靠近铜丝时，观察到的现象是铜丝 （选填“被吸引”或“不被吸引”）。小明将几种材料组合成了如图2所示的装置，发现铜线圈快速地转动起来，19世纪的科学家根据这个原理制成了 （选填“电动机”或“发电机”）；若调换强磁铁的磁极，铜线圈转动的方向与原来 。
【答案】 不被吸引 电动机 相反
【详解】磁铁可以吸引含有铁、钴、镍的物体，当小明将强磁铁靠近铜丝时，观察到的现象是铜丝不被吸引。
小明将几种材料组合成了如图2所示的装置，发现铜线圈快速地转动起来，此时通电的铜线在磁场中受力的作用工作，19世纪的科学家根据这个原理制成了电动机，而发电机的工作原理是闭合电路中的部分导体切割磁感线产生感应电流。
若调换强磁铁的磁极，铜线圈受到的磁力方向改变，铜线圈转动的方向与原来相反。
2．小明学习电动机原理后，制作小小电动机。把一段粗漆包线绕成约3cm×2cm的矩形线圈，如图甲所示，漆包线在线圈的两端各伸出约3cm。然后，用小刀刮两端引线的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮半周。用硬金属丝做两个支架，固定在硬纸板上。两个支架分别与电池的两极相连。把线圈放在支架上，线圈下放一块磁铁，如图乙所示。给线圈通电并用手轻推一下，线圈就会不停地转下去，小小电动机就制作好了。
若制作和电路无误，接上电源后线圈不动，请写出可能的原因和解决方法。
【答案】见解析。
【解析】电动机不转动的原因有可能：
（1）线圈刚好处于平衡位置；（2）有可能是因为线圈受力太小，而造成线圈受力太小的原因可能是线圈中电流太小或磁体磁性较弱，所以应试着增大电源电压或换一块磁性更强的磁体。
3．用一个铁钉、一节电池、一根电线和一个纽扣强磁铁，可组装成一个演示用的简易电动机，组装过程如图的甲、乙、丙所示。
（1）乙图中，把铁钉和磁铁连起来后就能竖直地吸在电池的正极上，若磁铁的N极朝上，则磁化后的铁钉的尖端为 （填“N”或“S”极）。
（2）丙图中，用电线把电池的负极和磁铁连接起来，就有电流通过磁铁和铁钉 （填“向上”或“向下”）。
（3）这个简易电动机工作时，将电能转化为 能。
（4）丙图中，若要改变铁钉的转动方向，可以改变 方向。
【答案】（1）N；（2）向下；（3）机械；（4）电流
【详解】（1）乙图中，把铁钉和磁铁连起来后就能竖直地吸在电池的正极上，若磁铁的N极朝上，S极朝下，则磁化后的铁钉根据异名磁极相互吸引可得铁钉的尖端为N极。
（2）电源外部电流从正极流向负极，故丙图中，用电线把电池的负极和磁铁连接起来，通过电线的电流方向是向下。
（3）简易电动机工作时，将电能转化为机械能。
（4）通电导体在磁场中转动的方向取决于其在磁场中的受力方向，其受力方向改变则其转动方向就改变；而其受力方向与导体中电流的方向和磁场的方向有关，因此要改变铁钉转动方向可以改变电流方向。
4．如图，创新小组自制小小电动机：用硬金属丝制作两支架m、n，固定在木板上；把一段粗漆包线绕成矩形线圈abcd，漆包线的两端伸出作为引线，用小刀刮两端引线的漆皮，左端全部刮掉，右端只刮上半周或下半周，将引线放在支架上；用另一段漆包线绕在铁芯上制作电磁铁，置于线圈之下。把线圈和电磁铁按图示接入电路，闭合开关，用手轻推一下，线圈就会不停地转下去。
（1）引线上的漆皮要刮掉，原因是漆皮属于 ；
（2）线圈abcd与电磁铁的连接方式是 联；电磁铁上端的磁极是 极；
（3）线圈转动一周时，只有半周获得了动力，要靠 转过另半周；
（4）若把电池正负极对调，闭合开关，线圈的转动方向将 （改变/不变）。
【答案】 绝缘体 并 S 惯性 不变
【详解】（1）漆皮由塑料制成，属于绝缘体。
（2）由题意及图可得，线圈与电磁铁属于并联，电磁铁一端为N极，一端为S极，外部磁场线与条形磁极相似，由图可得，电流从左端导线进入电磁铁，从右端导线离开，根据右手螺旋定则可知，电磁铁下端为N极，上端为S极。
（3）由题意可得，线圈转动一周时，只有半周获得了动力，后半周主要依靠惯性转动。
（4）若把电池正负极对调，闭合开关，电流的方向发生改变，电磁铁所产生的磁场方向发生改变，但电磁铁对线圈的吸引力方向并没有发生变化，所以线圈的转动方向也没有发生变化。
5. 如图所示为小玲和小辉同学制作的一种直流电动机模型，他们用回形针做成两个支架，分别与电池的两极相连；用漆包线绕一个矩形线圈，以线圈引线为轴，并用小刀刮去轴的一端全部漆皮，另一端只刮去上半周漆皮，将线圈放在支架上，蹄形磁体放在线圈周围．
（1）按他们这种方法刮漆，线圈 （填“能”或“不能”）持续转动．线圈转过平衡位置时会 （填“自动改变线圈中的电流方向”或“切断线圈中的电流”）。
（2）可以通过改变 方向，改变线圈的转动方向。（填一种方法）
（3）如果电池、开关、导线的连接和性能良好，闭合开关后，发现线圈只抖动了一下，并不转动，原因可能是 ，这时可做的有效尝试是 。
【答案】能 切断线圈中的电流 电流（或磁场） 磁场太弱 换用较强的磁场
【详解】（1）将线圈两端引线的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮半周的作用是当线圈刚转过平衡位置时，切断电流，通过线圈的惯性转动半周，从而保证了线圈持续的转动下去；
（2）要改变线圈的转动方向，就要改变线圈的受力方向，而线圈的受力方向由磁场方向和电流方向来决定，因此可改变磁场方向或电流方向来改变线圈的转动方向；
（3）如果电池、开关、导线的连接和性能良好，闭合开关后，线圈不能连续转动，可排除无电流的情况，可能是电流太弱、磁场太弱或开始线圈处在平衡位置等，可进行有针对性的偿试，包括换新电池使电流增大，换较强的磁场，用手推一下线圈使其转过平衡位置等。
板
书
设
计
第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机
一、项目提出：制作简易直流电动机
二、项目分析
1. 绕制线圈：线圈的材料、圈数.
2. 转子与电子：线圈是转子、强磁体是定子.
3. 通电线圈持续转动：一端全部刮，一端刮半周.
三、项目实施：选择实验器材；制作步骤.
四、展示交流
1. 制作过程；制作过程中的问题和解决方法.
2. 对作品进行评价.
3. 故障及其排除.
课
堂
小
结
第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机