《电动机》（一）

《电动机》（一）

浙江省温岭市第三中学　郑建忠老师供稿

【教学目标】

1．知识目标

（1）通过实验探究，使学生知道通电直导线在磁场中会受到力的作用（当通电直导线与磁感应线平行时，不受力）；通电线圈在磁场中会转动（当通电线圈所在的平面与磁感应线垂直时，只受力不转动）；线圈与外电路之间装有换向器后可以使线圈连续转动。

（2）搞清磁场对电流作用时的能量怎样转化的。

2．能力目标

（1）培养学生分析和解决问题的能力、实验操作的能力以及交流与合作的能力。

（2）激发学生学习科学的热情和兴趣，培养学生探究自然规律的能力。

3．情感目标

（1）使学生能主动参与、乐于探究、勤于动手。

（2）激发学生的求知欲，变苦学为乐学。

【教学方法】

讨论、启发、“超市式教学”。

【学法指导】

猜想、验证、改进不完善的假设、再猜想验证。

【教学手段】

实验与多媒体辅助教学相结合。

【重点、难点】

（1）重点：磁场对电流的作用；通电导体在磁场中的受力方向与哪些因素有关。

（2）难点：磁场对通电线圈力的作用的分析；换向器的作用分析。

【教学准备】

多媒体制作（以图片设计为主）、大型号的马蹄形磁铁一块、条形磁铁两块、线圈一只、装有金属导轨的木板一块、低压电源一台、开关、滑动变阻器各一只、导线若干、空心铜导线一根、由直流电动机改装过的带有两个铜圆环的电动机一台、直流电动机一台。

【教学程序】

1．引入

师：观察图3‐1的装置，仔细回忆并回答下列问题：（超市式问题）

图3‐1

（1）图中装置是用来做什么实验的？（2）此实验说明了什么？（3）磁场的基本性质是什么？

生1：我挑选1，奥斯特实验。

生2：我挑选3，对放入其中的磁体产生磁力的作用。

生3：我挑选2，此实验说明了通电直导线周围存在着磁场。

师：如图3‐2所示，当小磁针放入马蹄形磁体的磁场中，是否会受到力的作用？

图3‐2

生：会受到力的作用。

师：为什么小磁针会受到力的作用？

生：是根据磁场的基本性质得出的结论。

2．探究通电直导线放入磁场中的受力情况（超市式探究）

师：如图3‐3所示，通电导线（即电流）放入磁场中会不会受到力的作用呢？

图3‐3

生：可能会吧。

师：如果认为有力的作用，请说明你的道理。

生：（学生挑选学生求助）因为磁场与磁场间会发生力的作用，而马蹄形磁铁周围有磁场，通电导体周围也有磁场，所以通电导体可能与小磁针一样也会受到力的作用。

师：回答得很好，下面我们来探索一下刚才同学们的猜想是否正确。老师提供的器材有：电源、开关、滑动变阻器、直的铜导线一根（空心）、磁性较强的马蹄形磁铁一块、装有金属导轨的木板一块、导线若干。请两位同学上台合作探究。

生：两位同学上台演示，黄锋同学连接导线、李健同学摆放好装有金属导轨的木板、直导线、蹄形磁铁，连接好，经检查无误后，李健同学闭合开关（实验设计如图3‐4）。

图3‐4

师：同学们观察到什么现象？

生：放在磁场中的通电直导线向左运动。

师：观察得很仔细，说明通电直导线放在磁场中确实会受到力的作用。当我再次闭合开关时，通电直导线还是向左运动，难道该通电直导线只会向左运动，不会向右运动吗？

生：可能不会？

师：你能否设计出使该通电直导线向右运动的情况？说出来请同学作出评价。（超市式评价）

生：同学A上台把电源的正负极对调，闭合开关，果然出现通电直导线运动方向反向。

师：同学们已经观察到通电直导线的受力方向与原来相反，你能得出通电直导线的受力方向与什么的方向有关？

生：因为刚才这位同学只改变电流方向，因此通电直导线在磁场中的受力方向与电流方向有关。

师：回答得很好，现在我们已经观察到通电直导线是向右运动的，如果不改变电流方向，能否使该导线又向左运动？说出来请同学作出评价。（超市式评价）

生：把马蹄形磁铁的南、北极反向后，再次闭合开关，结果通电直导线的运动方向真的与原来相反。

师：（1）你能得出通电直导线的受力方向还跟什么的方向有关？（2）通过以上两个实验的探索，你能得出什么结论？（3）通电直导线在磁场中受力运动的过程中，能量是如何变化的？（超市式问题）

生1：与磁感应线的方向有关。

生2：通电直导线的受力方向与电流方向和磁感应线的方向有关。

生3：直导线的机械能增加了。

受力方向、电流方向、磁感应线的方向三者之间可以用左手定则来判断。

（结合图3‐5，简单介绍定则内容，不作具体要求。左手定则：伸开左手，让大拇指与其余四指垂直，且使大拇指与其余四指在同一个平面内，让磁感应线垂直穿过手心，四只手指方向表示电流方向，那么大拇指的方向就是通电直导线的受力方向。）

图3‐5

师：回答得很好，那么增加的那一部分机械能是由什么能量转化过来的呢？

生：是由电能转化过来的。

师：通电直导线在磁场中受力运动的过程实际上是把什么能转化为什么能的过程？

生：通电直导线在磁场中受力运动的过程实际上是把电能转化机械能的过程。

师：同学们再想一想，通电直导线放入磁场中是否一定都会受到力的作用？会不会出现不受力的可能呢，请讲明理由。

生：讨论后，章旷同学认为：一定会受力，因为通电直导线周围一定有磁场，而马蹄形磁铁周围也有磁场，根据磁场的基本性质，对放入其中的磁体产生磁力的作用，因此一定会受力。王鹏同学认为：有可能不受力。理由是当改变导线位置的摆放时，有可能不受力。

师：究竟谁的观点正确呢，（请同学评价）再让我们用实验来验证。刚才我们做实验时是让磁感应线方向与电流方向垂直，现在我们让磁感应线方向与电流方向平行试试看。把刚才的演示实验改为（用两根较大的条形磁铁代替马蹄形磁铁）设计实验如图3‐6所示。同学们仔细观察，当闭合开关后，导线是否还会运动？

图3‐6　

生：通电直导线不动。

师：把电流方向反向看一看，导线是否会运动？生：导线仍不动。

师：把条形磁铁的N、S极对调。

生：也不动。

师：你能得出通电直导线在什么情况下不会受到力的作用？

生：当电流方向与磁感应线的方向相平行（相同或相反）时，通电直导线在磁场中不会受到力的作用。

3．探究通电线圈放入磁场中的受力情况及运动情况（超市式探究）

师：刚才我们实现了把电能转化为机械能的愿望，在现实生活中，只让一根通电直导线运动起来的例子有吗？

生：没听说过。

师：现实生活中，只让一根直导线运动起来没有实用价值，据你了解哪些用电器是把电能转化为机械能的？

生：（学生争着回答）电风扇、电动机、洗衣机。

师：电风扇、电动机、洗衣机都有一个什么共同的特点？

生：都能转起来。

师：对，而我们刚才所研究的通电直导线的运动情况是水平运动，如何实现使导线转动呢？能否通过你平时对电动机的了解中得到一些启发？也可以求助同学。（学生求助）

生：把导线做成线圈形状放在磁场中。

师：如果把通电直导线弯成线圈形状，放入如图3‐7所示的磁场中，图3‐7甲中线圈平面与磁感应线平行；图3‐7乙中线圈平面与磁感应线垂直。哪些边会受到力的作用，请标出力的方向（依据左手定则来判断）？

生：图3‐7甲中ab、cd边会受力，图3‐7乙中ab、cd、bc三边都受力。标出力的方向如图3‐8。

图3‐7

图3‐8

师：如果按图3‐7甲位置把线圈放入磁场中，会看到什么现象？

生：线圈会发生转动。

师：原因何在？

生：因为ab导线与cd导线受到的力不是平衡力。

师：你怎么知道不是平衡力？

生：因为这两个力没有作用在同一条直线上。

师：分析得有道理，但还没有得到验证，如果按图3‐7乙位置把线圈放入磁场中又会看到什么现象？

生：线圈可能不转动。

师：为什么？

生：因为ab、cd边受到的力是一对平衡力。

师：分析得很好，下面我们来演示一下当线圈平面与磁感应线平行放入磁场中后，闭合开关是否如同学们所分析的那样发生转动，请一个同学上来帮助演示。（老师挑选同学）

生：参与演示。

师：（1）注意观察看到什么现象？（2）线圈最后静止的位置与磁感应线的成多少度角？（超市式问题）

生1：线圈开始转动，转过某一角度后慢慢停下来，然后又转回来，在某一角度附近摆动几下后停止。

生2：可能是90°。

师：为什么？

生：刚才已经分析过当线圈平面与磁感应垂直时ab边cd边受到的力是一对平衡力，可能是受平衡力作用的原因吧。

师：分析得很好，当线圈（从上面向下看）逆时针转动90°角时，虽然ab导线与cd导线依然受到力的作用，但受到的力是平衡力，阻碍线圈继续转动，使线圈最后静止在图3‐7乙的位置，这个位置被称为平衡位置。为什么线圈不能在平衡位置立即停止，而会继续转过一个角度昵？

生：线圈由于惯性不能立即停下。

4．探究通电线圈在磁场中连续不断转动的条件（超市式探究）

师：很好，刚才我们把通电直导线做成线圈形状放在磁场中能使线圈转动起来，但遗憾的是线圈最多只能转过90°角，而日常生活中的电动机能连续不断地转动，想一想上面的线圈在设计上需要克服哪些障碍？（超市式设计）

生1：线圈转动后要防止电源两极仍缠在线圈两端。

生2：当线圈转动到平衡位置时，不受到平衡力的作用就好了。

师：真聪明，那么如何克服线圈转动后电源两接线缠绕线圈的问题呢？请同学们帮助设计。（把学生分成4人一组进行讨论设计）要求每一组提供一个设计方案进行交流。

生：其中有三组的设计方案相同———在两根电源线处接上弹簧片，线圈的两端接两个金属圆环，当线圈转动后，克服了两线相连接的问题。

师：我们来观察刚才同学们设计的图，当线圈连续转动后，金属圆环跟着转动，克服了两线相缠的问题（设计方案如图3‐9）。当线圈平面与磁感应线平行时，闭合开关后，分析线圈的转动情况？

图3‐9

生：线圈和上一次一样也只能转过90°。

师：我们只解决了第一问题，第二个问题如何解决呢？

生：只要当线圈转动到平衡位置时，出现自动断电就可以了。

师：很好，如何实现当线圈转动到平衡位置时，自动断电？

生：想不出方法。

师：提示：可否在两铜圆环上做做文章？

生：当线圈转动到平衡位置时，铜圆环也会转动，只要在转动到平衡位置的瞬间，电刷与铜圆环突然分开就可以了。

师：分析得有道理，如何实现让电刷与铜圆环在瞬间分离呢？

生：在铜圆环上贴上绝缘体或者在铜圆环上开一个裂口，当线圈转动到平衡位置时，电刷与铜圆环分离开来。

师：很好，该同学的设计思想如图3‐10所示，当线圈转到平衡位置时，确实出现了瞬间断电，这样设计是否就能使线圈连续转动起来呢？

图3‐10　

生：可能会吧。

师：由于惯性，当线圈（从上面向下看）逆时针转过90°角后，电路重新接通，请分析线圈各边是否受力？

生：受到力的作用。

师：这些力作用在线圈上是促使线圈向哪一个方向转动（受力分析后让学生回答）？

生：促使线圈顺时针方向转动。

师：这样能保证线圈连续转动吗？

生：不能。

师：当线圈转过90°角后，怎样才能使线圈继续沿逆时针方向转动？能否从通电直导线在磁场中运动方向反向的设计上得到启发？（超市式评价）生1：把磁体的N极和S极对调。生2：把电源的正负极对调。

师：真聪明，这两种方法都能使线圈继续沿逆时针方向转动，想一想，这两种方法实际操作起来方便吗？

生：不方便。

师：还有没有其他方法？

生：当线圈内部的电流方向反向时，也能使线圈继续沿逆时针方向转动。

师：分析得有道理，只要实现当线圈转过90°角后电流方向反向就有可能使线圈连续不断转动，怎样改装（提示：还是在两个铜圆环上出主意）？

生：讨论后，章旷同学猜想：用两个铜半环来代替两个铜圆环，当线圈转动时带动两个铜半环一起转动，转过某一角度后，线圈内部电流方向实现反向。

师：分析得很有道理，下面我们用两个铜半环来代替两个铜圆环做实验，观察结果是否如章旷猜想的那样使线圈连续转动起来。教师用电动机模型演示，如图3‐11。

图3‐11　

生：观察到线圈连续不断地转动起来。

师：终于转起来了，我们的目标实现了。同学们，我们为章旷同学的聪明才智鼓鼓掌。

生：掌声雷动。

5．总结

师：因为两个铜半环在线圈转动时能自动地改变线圈中的电流方向，我们把它称作换向器。下面请同学们总结一下，本节课学到的内容有哪些？

生：通电直导线会在磁场中受到力的作用；通电线圈会在磁场中转动；使用换向器可以使线圈连续转动起来。

师：有补充吗？

生：当通电直导线与磁感应线的方向平行时不受力，通电线圈放入磁场中处于平衡位置时不转动。

师：还有补充吗？

生：接有两个铜圆环的线圈，只能使线圈转动90°。师：还有补充吗？

生：我们还学习了探究的好方法……

师：同学们总结得很好，本节课我们实现了让线圈连续转动起来，为最终发明直流电动机铺平了道路，下节课我们来探究直流电动机的工作原理、结构特点等，希望同学们利用课余时间查一下跟电动机有关的资料，为下节课作准备。

【教学反思】

本节课实施超市式探究，使师生回味无穷，以下是课后的即时思考。

1．实现超市教学

整节课中反复使用“超市式教学”，尤其是采用超市式探究，使学生思维处于兴奋状态，一环扣一环的猜想、设计和实验验证，不断使课堂得以升华。再则，课堂中多次采用了超市式问题，使学生学习得以自然分层，使优生更好发展。最后，课堂反复运用学生评价，使课堂中问题生成多且真实。

2．设计思路反思

（1）电动机是日常生活中常用的机械设备，普遍应用于各种电气设备中，如家用电器中的电风扇、洗衣机、空调等都安装了电动机，学生都知道电动机通电后会转动起来，但不知道电动机通电后为什么会转动，因而学生对电动机通电后转动充满了好奇心理，迫切希望解开这个谜，这是我为什么选择电动机作为探究教学的原因之一。

（2）本节课内容的安排本身就是直流电动机发明创造的过程，从知识线来看：从通电直导线放在磁场中会运动———通电线圈放在磁场中会转动———通电线圈在磁场中连续转动，每一步的跨越都离不开猜想、设计方案和探究互动的情景。

3．实现目标分析

本节课通过探究教学，能够实现的目标有：

（1）培养学生科学的思维方法和严谨的科学态度。在本节教学中，沿着（运动———转动———连续转动）这条知识线一步一步地探究，从最初的设计方案到问题的解决，都离不开科学的思维方法。

（2）使学生明白科学探究并不是一帆风顺的，有时也会走弯路、走错路。例如，从通电线圈在磁场中转动到连续转动的探究过程中，学生从最初想到的两个铜圆环———用带有裂口的铜圆环代替———两个铜半环（换向器）代替，最后获取成功。

（3）培养学生分析和解决问题的能力、实验操作的能力以及交流与合作的能力。本节课的教学处处让学生根据老师提出的要求，主动参与设计实验方案，验证假设，使学生能够乐于探究、勤于动手，有几个假设都是在好多同学的共同参与下完成的。

（4）培养学生热爱科学、追求新知识的探索精神，激发学生学习科学的热情和兴趣。

案例3．2重点设计的是“超市式”练习和“超市式”评价，其中突出的是“超市式”探究和“超市式”问题。问题是展开教学的路标，有了问题，课堂就有话好说，有事可做。再则，我们设计的问题是让学生挑选着回答的，所以学生学得轻松，从而减轻了他们的心理压力。其实，当我们把时间还给学生，让他们做主人的时候，课就成功了一半，因为只有他们自己知道想学什么，怎么去学。

案例3．2