第三节 跨学科实践：电磁铁及其应用（教学设计）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦电磁铁的构造、原理、磁性强弱影响因素及应用，通过电磁起重机情境导入，连接学生已有的电与磁知识，引出电磁铁，搭建从理论到跨学科实践的学习支架。 此资料以跨学科实践为核心，通过控制变量法探究磁性强弱、组装电梯超载报警电路等活动，培养科学探究与模型建构能力，结合电磁阀、磁悬浮列车实例深化应用认知，助力学生提升综合解决问题能力，为教师提供可操作的素养导向教学方案。

三、跨学科实践：电磁铁及其应用（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 教师 课题 三、跨学科实践：电磁铁及其应用 教学 目标 物理观念 认识电磁铁是利用电流磁效应工作的，了解其构造，知道影响其磁性强弱的因素。能说出电磁继电器工作原理。初步建立电磁能转化观念。 科学思维 通过探究影响电磁铁磁性的影响因素，培养抽象概括和简化问题能力。引导学生根据知识和现象推理，实验验证，培养推理能力。组织学生讨论论证实验方案和结果，培养批判性思维和论证能力。鼓励学生对应用和研究质疑创新。 科学探究 尝试提出关于电磁铁的问题，培养发现和提出问题能力。通过设计实验收集数据，培养制定计划、设计实验和处理信息。分析处理实验数据得出结论，用科学语言解释现象，培养分析论证能力。组织学生交流实验过程和结果。 科学态度 与责任 培养学生严谨认真、实事求是的态度，如实记录数据，分析不符预期的结果。让学生了解电磁铁应用，认识物理知识对社会发展的作用，培养关注社会和解决问题的意识和能力。 教材 分析 本课内容是跨学科实践。电磁铁是电磁学重要应用实例，连接理论与实际，深化学生对电与磁关系的理解，为后续学习奠基，促进学生综合运用多学科知识解决实际问题能力的提升，在电磁学知识体系和物理学科素养培养中占关键地位。作为跨学科实践内容，突出展现了物理学与工程技术的深度融合，体现物理学在工程技术、生活实际中的重要作用。 学情分析 学生已掌握电与磁基本概念，但综合运用知识构建电磁铁模型和分析应用有困难，需教师引导知识迁移整合。学生有一定观察、分析和归纳能力，但跨学科知识融合运用能力待提高。理解抽象原理和多学科交织内容有障碍，如运用控制变量法设计实验和分析数据。电磁铁在生活中应用广泛，学生有好奇心和探索欲。教师可利用此兴趣，开展活动激发学习积极性，引导主动思考原理。 教学重点 1．了解电磁铁工作原理； 2．探究影响电磁铁磁性强弱的因素； 3．了解电磁铁在生活和科技中的应用。 教学难点 1．控制变量法在探究实验中的应用； 2．跨学科知识的融合运用； 3．电磁继电器工作过程的分析，简单电路的设计。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【问题情境】在工地、码头，以及一些车间、货场，人们常常可以看到电磁起重机提起几十吨重的铁板、钢筋、铁管、废铁和其他各种铁质材料。使用电磁起重机不用装箱、打包和捆扎，就能很方便地进行收集和搬运，不但操作省力，而且简化了工作。电磁起重机的主要部件之一是电磁铁。什么是电磁铁?电磁铁有什么特点和应用? 观察思考，电磁铁的应用场景及其原理 学习新课 一、电磁铁 【演示与观察】如图17.3-1所示，用导线在塑料管上绕成一个螺线管。接通电路，分别将木棒、铜棒和铁棒插入塑料管内，通过吸引小铁钉（或大头针）的数量判断螺线管磁性强弱的变化情况。 实验表明，通电螺线管内插入铁棒时，其磁性明显增强。人们通常把螺线管紧密地套在一根铁棒上，这样就制成了一个磁性较强的电磁铁。这根铁棒称为电磁铁的铁芯，螺线管称为电磁铁的线圈。电磁铁通电时有磁性，断电时磁性消失。 （一）电磁铁 1．电磁铁：①带铁芯的通电螺线管称为电磁铁。 ②特点：有电流通过时有磁性，没有电流时就失去磁性。 2．电磁铁的工作原理： 利用电流的磁效应工作。在螺线管的内部插入铁芯通电后，铁芯在螺线管的磁场中被磁化，两磁场叠加，使电磁铁的磁性大大增强。 电磁铁的磁极：与通电螺线管的磁极相同；当电流方向改变时，磁极也发生改变。 实际工作中，不同情况下人们对电磁铁的磁性强弱有不同的需求。组成电磁铁的主要部件是线圈，电磁铁只有在线圈中通有电流时才有磁性，那么电磁铁磁性的强弱跟电流的大小有关吗?跟线圈的匝数有关吗?有怎样的关系? （二）探究影响电磁铁磁性强弱的因素 【猜想假设】可能与电流的大小、线圈的匝数有关。 【设计实验】 （1）探究方法： ①控制变量法：一是控制电磁铁线圈的匝数不变，改变线圈中电流的大小；二是控制电磁铁线圈的电流不变，改变线圈匝数。 ②转换法：判断磁性强弱方法：根据吸引铁钉、曲别针等个数的多少来判断电磁铁的磁性强弱。 （2）实验器材与连接 ①三个匝数不同的电磁铁（如一个150匝，一个100匝）、学生电源、电流表、开关、导线、大头针、滑动变阻器等。 ②实验电路图 （3）实验过程 ①按照电路图，把滑动变阻器、电流表和一定匝数的电磁铁串联起来，移动变阻器的滑片P，改变电路中的电流。观察电流大小不同时，电磁铁吸引铁钉的数目有什么变化。 ②把两个匝数不同的电磁铁串联在电路中，可以控制通过的电流相等，通过比较吸引的铁钉的数量比较磁性的强弱。 【进行实验与收集证据】 ①按照电路图，把滑动变阻器、电流表和一定匝数的电磁铁串联起来，移动变阻器的滑片P，改变电路中的电流。观察电流大小不同时，电磁铁吸引铁钉的数目有什么变化。 ②把三个匝数不同的电磁铁串联在电路中，控制通过的电流相等，观察电磁铁吸引的铁钉的数量。 现象：匝数越多，吸引的铁钉越多。 【探究结论】影响电磁铁磁性强弱的因素 电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数及线圈中的电流大小有关。线圈的匝数越多，电流越大，电磁铁的磁性就越强。 【议一议】请与同学交流讨论如下问题。 1．还有其他可以判断电磁铁磁性强弱的方法吗? 2．关于改变电磁铁线圈的匝数，你有什么建议? 3．改变电磁铁中电流的方向，电磁铁磁极的极性是否会改变? 学生各抒己见，教师总结点拨。 【交流讨论】电磁铁的优点 ①电磁铁磁性的有无可以由通、断电来控制。 ②电磁铁磁性的强弱可以通过调节电流的大小来控制，电流越大，电磁铁的磁性越强。 ③电磁铁的N、S极是由线圈中的电流方向决定的，便于人工控制。 【例题1】法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于发现了巨磁电阻（GMR）效应，荣获了2007年诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应是指某签材料的电阻在磁场中急剧减小的现象，这一发现大大提高了磁、电之间信号转换的灵敏度，从而引发了现代硬盘生产的一场革命。 下图是说明巨磁电阻特性原理的示意图，图中GMR是巨磁电阻。如果闭合S1、S2并使滑片P向左滑动，指示灯亮度会有什么变化？ 【答案】指示灯亮度会变大。 【解析】滑片P向左滑动，左侧控制电路电流增大，使电磁铁的磁性增强，右侧工作电路中的GMR电阻随磁场增强而变小，工作电路中的电流变大，指示灯亮度会随之增大。 观察实验，了解电磁铁的构成及作用 分析实验结果，总结电磁铁的特点 小组合作，完成探究实验 分工协作，完成探究实验 归纳总结，得出结论 讨论交流，各抒己见 练习例题 学习新课 二、电磁铁的应用 电磁铁在生活、生产及科学技术中有着广泛的应用。 在生活中我们经常看到一些大型机器在工作，而它们的电流可达几十、上百安，直接来控制或操作是很危险的，那怎么才能控制这些强大的电流？利用电磁铁制成的电磁继电器，可以完成这一任务。 （一）了解电磁继电器 1．结构示意图： 主要构造：电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点等。 控制电路：电磁铁、衔铁、低压电源、开关等； 受控电路：高压电源、电动机、动触点与静触点。 2．工作原理：当闭合开关S接通控制电路时，有电流通过电磁铁的线圈，电磁铁有了磁性以后吸引衔铁，使触点接通工作电路。 3．常见的一些电磁继电器： （二）活动一：认识电磁继电器 【活动目的】 1．了解电磁继电器的结构和工作原理。 2．练习使用电磁继电器控制电路。 【活动器材】 电磁继电器、灯座（2个）、小灯泡（2只）、电池、开关、导线（若干）。活动内容 1．观察电磁继电器，确定电磁铁、衔铁、弹簧、触点的位置。 2．按照图17.3-5所示连接电路。观察开关S1闭合与断开时，A、B触点（常闭）及C、D触点（常开）的状态是如何转换的。 闭合开关S1时，C、D触点闭合，A、B触点断开；断开开关S1时，C、D触点断开，A、B触点闭合。 3．闭合开关S1，观察S2闭合与断开时，两只小灯泡的发光情况。 闭合开关S1，S2闭合时，红灯亮，绿灯灭；S2断开时，两灯都不亮。 （三）电磁继电器实例分析 1．单掷电磁继电器 【讨论】与同学交流，能否说出其工作原理？ 工作原理：当低压控制电路接通时，电磁铁吸引衔铁，使动触点与下面的静触点接触，高压工作电路接通，则电动机运转； 当低压控制电路断开时，电磁铁失去磁性，弹簧的弹力使动触点与下面的静触点分开，高压工作电路断开，则电动机停止运转。 2．双掷电磁继电器 双掷继电器有两组静触点A与C，可以控制两组工作电路。类似于单刀双掷开关。 【讨论】与同学交流，能否说出其工作原理？ 工作原理：当低压控制电路接通时，电磁铁吸引衔铁，使动触点B与下面的静触点C接触，高压工作电路接通，则电动机运转； 当低压控制电路断开时，电磁铁失去磁性，弹簧的弹力使动触点B静触点C分开，与静触点A接通，电动机停止运转，指示灯发光。 3．电磁继电器的作用：利用电磁继电器可以用低电压、弱电流的控制电路来控制高电压、强电流的受控电路，并且能实现遥控和生产自动化。 电磁继电器被广泛应用于自动控制和通信领域（如电冰箱、汽车、电梯、机床里的控制电路等）。 【例题1】图中是一种水位自动报警器原理图，试说明它的工作原理。 【解答】当水位上涨时，水与金属A接触，由于水（不纯净）是导体，使控制电路接通，电磁铁吸引衔铁，使动触点与下面的静触点接触，工作电路接通，则红灯发光； 当水位下降时，使控制电路断开，电磁铁失去磁性，弹簧拉着衔铁使动触点与上面的静触点接触，工作电路接通，则绿灯亮。 （五）活动二：组装简易的电梯超载报警电路 【活动目的】 1．了解电梯超载报警器的工作原理。 2．练习使用电磁继电器和超载感受器组装自动控制电路。 【活动器材】 电磁继电器、电池、电动机、小灯泡（报警灯）、蜂鸣器、开关、快速接线端子、导线等。 【活动内容】 1．设计超载感受器。 （1）需要的器材：_________________________________________________。 需要的器材：轻质绝缘板、弹簧、金属片（上下各一片）、定值电阻、导线。 （2）简单说明超载感受器的结构和工作原理。 _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 简单说明超载感受器的结构和工作原理：将轻质绝缘板水平放置，下方固定多根均匀分布的弹簧，弹簧底端连接底座；绝缘板上表面安装上层金属片，底座对应位置安装下层金属片，上层金属片通过导线与定值电阻一端相连，下层金属片直接接导线。当电梯空载或负载未达超载值时，弹簧处于自然伸长状态，上下金属片分离，控制电路断开；当负载超过设定值，绝缘板在重力作用下压缩弹簧，带动上层金属片下移与下层金属片接触，控制电路接通。 2．设计简易的电梯超载报警电路，利用图17.3-6中的电磁继电器示意图画出电梯超载报警电路的设计图。 设计时需将电磁继电器的控制电路与超载感受器相连，工作电路则分别接入电动机、小灯泡（报警灯）和蜂鸣器。当电梯未超载时，超载感受器不触发，控制电路断开，电磁继电器的衔铁在弹簧作用下与常闭触点接触，电动机所在电路接通，电梯正常运行；当电梯超载时，超载感受器被触发，控制电路闭合，电磁铁产生磁性吸引衔铁，使其与常闭触点分离、与常开触点接触，此时电动机所在电路断开，电梯停止运行，同时小灯泡（报警灯）和蜂鸣器所在电路接通，报警灯亮起且蜂鸣器发出警报声，从而实现电梯超载时的自动报警和运行停止功能。 电路设计原理例图： 构造说明：低压控制电路，开关S，R1为压敏电阻，R2为限流电阻；高压工作电路，开关K，B为动触点，A为静触点。 3．将超载感受器连入控制电路，并调节电梯超载报警值。 在调节电梯超载报警值时，需结合电梯的额定载重量和压敏电阻R1的特性进行操作。通常通过改变压敏电阻所受压力与电阻值变化的对应关系，来设定当电梯达到额定超载重量时，压敏电阻的阻值能使控制电路恰好闭合，从而触发后续报警和停机动作。 4．将电池、电动机、报警灯和蜂鸣器等连入被控制电路，并检查电路。 将电池、电动机、报警灯和蜂鸣器连入被控制电路时，要注意各元件的正负极连接是否正确，避免因极性接反而损坏元件。同时，需确保电路中各连接点接触良好，无松动或短路情况，可借助万用表逐一检测电路通路情况。 5．简单说明电梯超载报警电路的结构、工作原理和注意事项。 电梯超载报警电路主要由低压控制电路和高压工作电路两部分构成，低压控制电路中的压敏电阻R1能感知电梯超载时的压力变化，进而控制电磁铁磁性的有无；高压工作电路则负责实现电梯运行状态的切换和报警功能。工作时，控制电路的通断决定了电磁铁对衔铁的吸引状态，从而改变动触点B与静触点A的接触情况，实现电动机与报警装置电路的交替通断。在使用过程中，要注意控制电路和工作电路的电压等级需符合设计要求，避免电压过高损坏元件，同时定期检查压敏电阻的灵敏度和电磁铁的磁性强弱，确保电路能稳定可靠工作。 6．根据测试结果分析电梯超载报警电路存在的问题，并提出改进方案或设想。 在测试过程中，可能会出现报警值不准确的问题，这可能是由于压敏电阻的灵敏度漂移或调节不当导致的，可通过更换高精度压敏电阻或重新校准调节装置来解决；也可能存在报警装置响应延迟的情况，这或许与电路中元件的参数不匹配有关，可尝试调整限流电阻R2的阻值，优化电路的导通速度，此外，还可以考虑增加备用电源模块，防止因主电源故障导致报警电路失效，提升电路的安全性和可靠性。 初步认识电磁继电器 了解电磁继电器的构造原理 通过实验探究，进一步认识电磁继电器的工作过程及其作用 交流讨论，说出电磁继电器的具体应用案例的工作过程 例题解析 小组合作，进行跨学科实践，组装简易的电梯超载报警电路 安装调试所设计的电路，并作出改进优化 学习新课 三、电磁铁的其他应用 （一）电磁阀 全自动洗衣机的进水、排水阀门，卫生间里感应式冲水器的阀门，都是由电磁铁控制的。直接作用式电磁阀的构造如图17.3-7所示，由阀体和电磁头两部分组成。当电磁头中的线圈通电时，线圈产生的磁场对衔铁施加向上的力，衔铁带动阀针上移，阀孔打开，流体正常流动。当电磁头中的线圈断电时，磁场消失，衔铁靠自重和弹簧的作用力下落，阀针将阀孔关闭，流体停止流动。 【例题2】全自动洗衣机的进水阀门是由电磁铁控制的，其构造示意图如下。当线圈通电后产生磁场，线圈上端为_________极，对衔铁施加_________（填方向）的力，使衔铁移动，阀孔打开，水流进洗衣机。 【答案】 ①．S##南 ②．向上 【解析】 [1]当线圈通电后产生磁场，由线圈所接电源正、负极可知，在线圈中电流方向是水平向左，根据安培定则判断可知，线圈下端为N（北）极，线圈上端为S（南）极。 [2]磁铁具有吸引铁、钴、镍等物质性质，所以当线圈通电后产生磁场，该电磁铁对衔铁施加向上的吸引力，使衔铁移动，阀孔打开，水流进洗衣机。 （二）阅读与拓展：磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种新型的有轨交通工具。它不靠车轮支持车体，主要依靠磁场的作用实现支撑、导向、牵引和制动功能。 如图17.3-8所示，车厢下的悬浮电磁铁与轨道电磁铁相互吸引，使列车受到很大的向上托的力，列车就会悬浮在轨道上方。同时，车厢在下部导向电磁铁的作用下，与轨道保持一定的侧向距离。这样，就实现了机车与轨道的无接触支撑和无接触导向。 2021年7月20日，世界上首套设计速度达600 km/h的高速磁悬浮交通系统在青岛成功下线（图17.3-9），标志着我国具备了高速磁悬浮成套技术和工程化能力。 【例题3】如图所示是一种温度自动控制装置的原理图。制作水银温度计时在玻璃管中封入一段金属丝，“电源1”的两极分别与水银和金属丝相连。 （1）闭合开关S后，当温度达到______℃时，发热电阻就停止加热； （2）当电磁铁中有电流通过时，若它的左端为N极，则“电源1”的______端为正极； （3）为增强电磁铁的磁性，下列措施一定可行的是______（填序号）。 ①增大“电源1”的电压 ②减小“电源2”的电压 ③减少电磁铁线圈匝数 ④改变电磁铁中电流方向 【答案】 ①．90 ②．右 ③．① 【解析】 （1）[1]水银是导体，当温度达到90℃，水银柱接触到温度计上端的金属丝使电磁铁电路接通，此时电磁铁线圈中有电流通过，线圈中就会产生磁性，吸引衔铁，右端的电路断开，发热电阻停止加热。 （2）[2]当电磁铁中有电流通过时，若它的左端为N极，根据安培定则可知，此时线圈中的电流方向在外部是向上的，则“电源1”的右端为正极。 （3）[3]电磁铁的磁性强弱与电流大小、线圈匝数有关；为增强电磁铁的磁性，可通过增大电流、增加线圈匝数实现，故①符合题意，②③④不符合题意。故选填①。 了解生活中广泛应用的电磁阀的基本原理 了解磁悬浮列车 课 堂 练 习 1． 下列办法不能改变电磁铁磁性强弱的是（ ） A．改变通过线圈中电流的大小 B．改变线圈的匝数 C．改变通过线圈中电流的方向 D．在通电螺线管中插入铁芯 【答案】C 【解析】A．改变通过线圈中电流的大小；B．改变线圈的匝数；D．在通电螺线管中插入铁芯；都能改变电磁铁磁性的强弱。 改变通过线圈中电流的方向，只能改变电磁铁的极性，不能改变电磁铁磁性强弱。 所以选C。 2．如图所示的是电磁继电器的结构。在横线上写出相应的名称。 a________，b________，c________，d________，e________， f________。 【解答】弹簧 电磁铁 控制电路接线柱 动触点 静触点 衔铁 3．如图所示的电路，开关S接到a后，电磁铁左端为______极，小磁针静止时，A端是______极；将开关S由a拨到b，调节滑动变阻器，使电流表示数不变，则电磁铁的磁性_________（填“增强”“不变”或“减弱”）。 【答案】A 【解析】开关S由a拨到b，线圈匝数减少，因为电流不变，故电磁铁磁性减弱。 5. 在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，小科设计了如图所示的电路，下列相关说法不正确的是 （　　） A．电磁铁甲、乙上方都是N极 B．通过电磁铁甲和乙的电流相等 C．电磁铁甲的磁性强于电磁铁乙的磁性 D．向右移动滑片P，电磁铁甲、乙磁性都减弱 【答案】A 【解析】电磁铁甲、乙的上方均为S极；故A错误。两个电磁铁串联，电流相等，甲的匝数多，磁性强；向右移动滑片P，电路中的电流减小，故电磁铁甲、乙磁性都减弱；故BCD均正确。 所以选A。 6. 巨磁电阻（GMR）效应指某些材料的电阻在磁场中急剧减小的现象，如图是说明巨磁电阻特性原理的示意图，当闭合S1、S2且将滑片P向左滑动时，下列说法正确的是（　　） A．指示灯变暗，电压表示数变大 B．指示灯变暗，电压表示数变小 C．指示灯变亮，电压表示数变大 D．指示灯变亮，电压表示数变小 【答案】D 【解析】当闭合S1、S2且将滑片P向左滑动时，电路中电流变大，电磁铁的磁性增强，巨磁电阻的阻值减小，电路中电流变大，灯泡变亮，电压表示数变小。所以选D。 7. 如图所示是一种水位自动报警器的原理示意图，当水位升高到金属块A处时 （ ） A．红灯亮，绿灯灭 B．红灯灭，绿灯亮 C．红灯亮，绿灯亮 D．红灯灭，绿灯灭 【答案】A 【解析】当水位上涨时，水与金属A接触，使控制电路接通，电磁铁吸引衔铁，使动触点与下面的静触点接触，则红灯亮，绿灯灭。所以选A。 9. 如图是一种“闯红灯违规证据抓拍模拟器”的工作原理图，光控开关接收到红光时会自动闭合，压敏电阻受到压力时其阻值会变小。当红灯亮后，且车辆压到压敏电阻上时，电磁铁的磁性因电路中电流的改变而变_______（填“强”或“弱”），吸引衔铁与触点_____（填“A”或“B”）接触，电控照相机工作，拍摄违规车辆。 【答案】强 B 【解析】红灯亮后，车压到压敏电阻上时，阻值变小，电磁铁的磁性因电路中电流变大而变强，吸引衔铁与触点B接触，此时电控相机工作，拍摄违规车辆。 板 书 设 计 三、跨学科实践：电磁铁及其应用 一、电磁铁 1．带铁芯的通电螺线管称为电磁铁。 2．特点：有电流通过时有磁性，没有电流时就失去磁性。 3．电磁铁的工作原理：利用电流的磁效应工作。 二、探究电磁铁的磁性强弱影响因素 1．（1）探究方法：①控制变量法；②转换法： 2．电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数及线圈中的电流大小有关。线圈的匝数越多，电流越大，电磁铁的磁性就越强。 3．电磁铁的优点 ①电磁铁磁性的有无可以由通、断电来控制。 ②电磁铁磁性的强弱可以通过调节电流的大小来控制，电流越大，电磁铁的磁性越强。 ③电磁铁的N、S极是由线圈中的电流方向决定的，便于人工控制。 三、电磁铁的应用 1．电磁继电器 （1）结构示意图： （2）主要构造：电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点等。 控制电路：电磁铁、衔铁、低压电源、开关等； 受控电路：高压电源、电动机、动触点与静触点。 （3）工作原理：当闭合开关S接通控制电路时，有电流通过电磁铁的线圈，电磁铁有了磁性以后吸引衔铁，使触点接通工作电路。 2．组装简易的电梯超载报警电路 电路设计原理例图： 构造说明：低压控制电路，开关S，R1为压敏电阻，R2为限流电阻；高压工作电路，开关K，B为动触点，A为静触点。 工作原理：学生解说。 3．电磁阀 4．磁悬浮列车 课 堂 小 结 三、跨学科实践：电磁铁及其应用 作业布置 1．教材本节末“实践与探索” 2．配套同步“导学案”。 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $