17.2 电动机转动的原理（导学案）物理新教材沪粤版九年级下册

该初中物理导学案聚焦“电动机转动的原理”，核心知识点涵盖通电导体在磁场中受力规律、换向器作用、直流电动机工作原理及能量转化。通过自主预习填空引导学生回顾基础，课堂探究分三个活动逐步深入，从受力规律到换向器作用再到电动机整体原理，形成连贯知识脉络，辅以实验步骤、数据记录和例题解析作为学习支架。 该资料突出实验探究，引导学生经历“提出问题→设计方案→实验操作→分析结论”流程，培养科学探究能力。通过动态分析线圈运动和换向器逻辑，发展科学思维中的模型建构与推理，强化物理观念中的电与磁相互作用认知。习题分层设计，基础到培优覆盖不同层次，助力学生巩固应用，提升学习效率。

17.2 电动机转动的原理（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.5 结合实例，了解电动机的工作原理。通过实验，探究通电导体在磁场中受到力的作用，知道力的方向与电流方向、磁场方向的关系。了解换向器在电动机中的作用。 物理观念：认识通电导体在磁场中受力的规律，理解电动机的工作原理，明确电动机是将电能转化为机械能的装置，建立电与磁相互作用的完整认知。 科学思维：通过分析线圈在磁场中的运动状态变化，理解换向器的“换向”逻辑，发展动态推理和模型建构能力；能归纳受力方向与电流、磁场方向的关联，形成规律性认知。 科学探究：参与“探究磁场对通电导体的作用力”实验，经历“提出问题→设计方案→实验操作→分析结论”的探究流程，掌握转换法和控制变量法。 科学态度与责任：了解电动机在高铁、机器人等现代科技中的应用，感受我国“复兴号”等科技成就，增强民族自豪感；认识技术创新对科学原理实际应用的推动作用，培养对电磁学技术的兴趣和创新意识。 【学习重点】 1．通电导体在磁场中受力的规律（受力的存在性、力的方向与电流/磁场方向的关系）； 2．换向器的结构与核心作用（改变线圈电流方向，实现持续转动）； 3．直流电动机的工作原理（通电线圈受力转动+换向器持续换向）； 4．电动机的能量转化（电能→机械能）及典型应用。 【学习难点】 1．理解“平衡位置”的含义及线圈在平衡位置的运动特点； 2．换向器如何在关键时刻改变电流方向，使线圈越过平衡位置后持续转动； 3．受力方向与电流方向、磁场方向的双向关联（知二推一）。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．通电导体在磁场中会（会/不会）受到力的作用，这个力的方向与电流方向和磁场方向都有关系。 2．通电线圈在磁场中会转动，但转到线圈平面与磁感线垂直位置时，线圈会停止转动，这个位置叫做平衡位置。 3．为使线圈持续转动，电动机中安装了换向器，其最简单的结构是由两个彼此绝缘的金属半圆环组成，作用是在线圈刚越过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。 4．直流电动机的工作原理是：通电线圈在磁场中受力转动，通过换向器及时改变线圈中的电流方向，从而实现线圈的持续转动。 5．电动机工作时，将电能转化为机械能，广泛应用于电动自行车、电风扇、高铁等设备中。 【课堂探究】 探究一、通电导体在磁场中受到的作用力 1．探究目标 （1）通过实验验证通电导体在磁场中是否受力； （2）探究力的方向与电流方向、磁场方向的关系； （3）掌握实验中的控制变量法和转换法。 2．探究过程 （1）实验器材：蹄形磁铁（提供磁场）、金属棒（AB）、电源、开关、导线、支架（固定金属棒，使其可自由运动）。 （2）实验步骤（参照教材活动要求）： ① 组装装置：将金属棒AB用支架固定在蹄形磁铁两极之间，确保金属棒与磁感线垂直，连接电源、开关形成闭合电路； ② 探究“受力的存在性”： 闭合开关（通电流、有磁场），观察金属棒是否运动； 移走蹄形磁铁（通电流、无磁场），闭合开关，观察金属棒是否运动； 断开开关（无电流、有磁场），观察金属棒是否运动； ③ 探究“受力方向与电流方向的关系”（控制磁场方向不变）： 保持蹄形磁铁N、S极位置不变，闭合开关，记录金属棒运动方向； 调换电源正负极（改变电流方向），闭合开关，记录金属棒运动方向； ④ 探究“受力方向与磁场方向的关系”（控制电流方向不变）： 保持电源正负极不变（电流方向不变），闭合开关，记录金属棒运动方向； 调换蹄形磁铁N、S极（改变磁场方向），闭合开关，记录金属棒运动方向。 （3）实验数据记录（示例）： 实验条件 金属棒运动情况 结论 通电流、有磁场 运动 通电导体在磁场中受力 通电流、无磁场 不运动 受力需磁场存在 无电流、有磁场 不运动 受力需电流存在 磁场方向不变，改变电流方向 运动方向改变 受力方向与电流方向有关 电流方向不变，改变磁场方向 运动方向改变 受力方向与磁场方向有关 3．探究结论 （1）通电导体在磁场中会（会/不会）受到力的作用，受力的前提是电流和磁场同时存在； （2）力的方向与电流方向和磁场方向都有关，当其中一个方向改变时，力的方向改变（改变/不变）；当两个方向同时改变时，力的方向不变（改变/不变）。 【例题1】 关于通电导体在磁场中受力，下列说法正确的是（ ） A．通电导体在任何磁场中都受力 B．受力方向只与电流方向有关 C．改变磁场方向，受力方向一定改变 D．受力方向与电流方向无关 【答案】C 【解析】通电导体需在磁场中且电流方向与磁场方向不平行时才受力，A错误；受力方向与电流、磁场方向都有关，B、D错误；控制电流方向不变时，改变磁场方向，受力方向一定改变，C正确。 探究二、线圈在磁场中的运动与换向器的作用 1．探究目标 （1）分析通电线圈在磁场中的运动特点，理解“平衡位置”的含义； （2）明确换向器的结构和核心作用，解释线圈持续转动的原因。 2．探究过程 （1）线圈的初始运动分析： ① 如图（a），线圈平面与磁感线平行时，线圈两边的电流方向相反，根据受力规律，两边受到的力方向相反（相同/相反），且不在同一直线上，因此线圈会转动； ② 当线圈转到图（b）位置时，线圈平面与磁感线垂直，两边受到的力方向相反（相同/相反），且在同一直线上，大小相等，线圈受力平衡，由于惯性来回摆动后停止，这个位置叫做平衡位置。 （2）持续转动的解决方案——换向器： ① 结构分析：换向器由两个彼此绝缘的金属半圆环组成，分别与线圈两端连接，通过电刷与电源两极接触； ② 工作逻辑：当线圈刚越过平衡位置时，换向器会自动调换与线圈连接的电源极性，从而改变线圈中的电流方向； ③ 效果：电流方向改变后，线圈两边的受力方向改变（改变/不变），使线圈继续沿原转动方向转动，避免停在平衡位置。 3．探究结论 （1）线圈在磁场中转动的关键障碍是平衡位置的受力平衡，需通过换向器解决； （2）换向器的核心作用是：在线圈刚越过平衡位置的瞬间，改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动。 【例题2】 直流电动机中换向器的作用是（ ） A．改变磁场的方向 B．改变线圈的转动方向 C．改变线圈中的电流方向 D．改变电源的正负极 【答案】C 【解析】换向器的作用是在线圈刚越过平衡位置时，改变线圈中的电流方向，从而改变受力方向，使线圈持续转动，C正确；它不改变磁场方向或电源极性，A、D错误；转动方向由受力方向决定，换向器是通过改变电流方向间接维持转动方向，而非改变转动方向，B错误。 探究三、直流电动机的工作原理与应用 1．探究目标 （1）整合受力规律和换向器作用，理解直流电动机的完整工作流程； （2）了解电动机的能量转化和典型应用，建立“原理→技术→应用”的认知链。 2．探究过程 （1）直流电动机工作流程（结合图17-2-4）： ① 阶段1（线圈未到平衡位置）：电流通过电刷→换向器半环→线圈，线圈两边受力方向相反，沿逆时针转动； ② 阶段2（线圈到达平衡位置）：电刷与换向器的绝缘部分接触，线圈中无电流，不受力，靠惯性越过平衡位置； ③ 阶段3（线圈越过平衡位置）：换向器自动调换半环与电源的连接，改变线圈电流方向，线圈两边受力方向反向，继续逆时针转动； ④ 循环往复，线圈持续转动。 （2）能量转化与应用： ① 能量转化：电动机工作时，将电能转化为机械能，同时伴随少量内能损耗； ② 典型应用： 日常家电：电风扇、洗衣机、电动玩具； 现代科技：高铁（“复兴号”）、磁浮列车、机器人、摄像机； 特殊设备：动圈式扬声器（利用“变化电流在磁场中受力变化”实现振动发声）。 3．探究结论 （1）直流电动机的完整工作原理：通电线圈在磁场中受力转动，换向器及时改变线圈电流方向，实现持续转动； （2）电动机的核心优势：构造简单、效率高、控制方便、污染小，是电能转化为机械能的核心设备。 【例题3】下列设备中，利用电动机工作原理的是（ ） A．发电机 B．动圈式扬声器 C．电磁铁 D．电暖器 【答案】B 【解析】发电机利用电磁感应，A错误；动圈式扬声器利用“变化电流在磁场中受力振动”，与电动机工作原理同源，B正确；电磁铁利用电流的磁效应，C错误；电暖器利用电流的热效应，D错误。 【归纳整理】 【课堂练习】 题组A 基础过关练 1．如图，闭合开关，铜棒向右运动，为使开关闭合后铜棒向左运动，下列操作可行的是（　　） A．换用更细的铜棒 B．将磁体的N、S极对调 C．移动滑动变阻器的滑片 D．将电源正、负极和磁体N、S同时对调 【答案】B 【解析】A．换用更细的铜棒，使电阻变大电流变小，但不能改变受力的方向，故A不符合题意； B．将磁体的N、S极对调，磁场方向改变，则通电导体的受力方向改变，铜棒向左运动，故B符合题意； C．向左移动滑动变阻器的滑片，只能改变电流的大小，不能改变电流的方向，故C不符合题意； D．将电源正负极对调，同时将磁体磁极对调，影响磁场力方向的两个因素同时改变，则通电导体的受力方向不变，铜棒仍然向右运动，故D不符合题意。 故选B。 2．换向器 （1）组成：两个铜质半圆环。如图所示，C和D构成换向器，它们中间断开，彼此绝缘，且跟电刷A和B接触，与电源组成闭合回路。 （2）作用：当通电线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的 方向，使线圈持续转动下去。 【答案】电流 【解析】在直流电动机中，换向器的作用是当通电线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的电流方向，从而改变线圈的受力方向，使线圈持续转动下去。 3．如图所示，把导线AB放在蹄形磁铁的磁场中，接通电源，让电流通过导线AB，发现导线AB会在导轨上向左运动，若把电源的正负极对调后接入电路，则导线AB （选填“向左”或“向右”）运动；若保持导线AB中的电流方向（由A到B）不变，把磁极对调，则导线AB （选填“向左”或“向右”）运动；若同时改变磁场方向和电流方向，则导线AB运动方向 （选填“变化”或“不变”）。实验表明： 对 有力的作用，通电导线受力的方向跟 方向和 方向有关。 【答案】 向右 向右 不变 磁场 通电导线 电流 磁场 【解析】[1]原来导线AB向左运动，当把电源正负极对调后，电流方向改变，而磁场方向不变。根据通电导线在磁场中受力方向与电流方向和磁场方向有关，电流方向改变时，受力方向也会改变，所以导线AB会向右运动。 [2]保持导线AB中的电流方向不变，把磁极对调，此时磁场方向改变。同样依据通电导线在磁场中受力方向与电流、磁场方向的关系，磁场方向改变，受力方向改变，导线AB会向右运动。 [3]若同时改变磁场方向和电流方向，根据受力方向的规律，当电流方向和磁场方向同时改变时，通电导线的受力方向不变，导线AB运动方向不变。 [4][5][6][7]综合前面的实验情况，磁场对通电导线有力的作用，通电导线受力方向跟电流方向和磁场方向有关。 4．学习了电磁转换知识后，小明利用一节干电池、一个硬铜导线框和纽扣强磁铁，可组装成一个简易电动机，如图所示，同时放手后可观察到导线框abcd以干电池为轴转动起来，导线框转动起来的原理是 ，若要改变导线框转动的方向，可以 ，若要改变导线框转动的速度，可以 ，导线框转动的能量由 能转化而来。 【答案】 见解析 对调磁体的N、S极/改变线圈中电流方向 换电压更大的电池 电 【解析】[1]放手后导线框中有电流通过，由于通电线圈在磁场中会受到力的作用，可观察到导线框abcd以干电池为轴转动起来。 [2]通电导体在磁场中受力的方向与磁感线方向和电流方向有关，两者中任一影响因素方向发生改变导体在磁场中受力方向会发生改变，若两者同时改变则受力方向不变，若要改变导线框转动的方向，即改变线圈受力方向，可以通过对调磁体的N、S极来改变磁感线方向或改变线圈中电流方向。 [3]导线框abcd两端电压不同，导线框转动的速度不同，要改变导线框转动的速度，可以换电压更大的电池。 [4]放手后导线框中有电流通过，电能转化为导线框的机械能，所以导线框转动。 5．如图甲是叶子姐姐自制的小风扇，使用时发现小风扇转动，但风却向后吹。叶子姐姐设计了如图乙所示的实验，探究其原因。    （1）闭合开关，给导体棒ab通电，发现导体棒ab向右运动，这表明导体棒ab在磁场中受到 的作用； （2）保持磁场方向不变，将电源正、负极对调后接入电路，闭合开关，发现导体棒ab向左运动，这表明 ； （3）保持电流方向不变，将磁体的两极对调，闭合开关，发现导体棒ab向右运动，这表明 ； （4）上述实验的原理与 装置的原理相同。 A．动圈式话筒 B．扬声器 【答案】 力 通电导体棒ab在磁场中受力的方向与导体中的电流方向有关 通电导体棒ab在磁场中受力的方向与磁场方向有关 B 【解析】（1）[1]闭合开关，给导体棒ab通电，发现导体棒ab向右运动，运动状态发生改变，这表明导体棒ab在磁场中受到力的作用。 （2）[2]保持磁场方向不变，改变电流的方向，闭合开关，发现导体棒ab向左运动，这表明导体棒ab在磁场中受力的方向与导体中的电流方向有关。 （3）[3]保持电流方向不变，改变磁场的方向，闭合开关，发现导体棒ab向右运动，这表明导体棒ab在磁场中受力的方向与磁场方向有关。 （4）[4]动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象，扬声器的工作原理是通电导体在磁场中受到力的作用，故B符合题意，A不符合题意。 故选B。 题组B 能力提升练 1．如图所示，图甲和图乙分别为直流电动机线圈在两个不同的时刻所处的位置，下列分析中正确的是（　　） A．导线ab中的电流方向在这两个时刻相同 B．导线ab在这两个时刻受到的磁场作用力方向不同 C．图乙中的线圈处在平衡位置上 D．由于具有惯性，线圈能持续转动 【答案】B 【解析】AB．由图可知，导线ab在这两个时刻分别于电源正极和负极相连，电流方向不同，由于导体受力方向与磁场方向和电流方向有关，所以两次导线ab的受力方向不同，故A错误，B正确； C．平衡位置是指线圈平面与磁感线垂直的位置，图中磁感线从左向右，故甲、乙两图中的线圈再转动90度角，都能到达平衡位置，图中不是平衡位置，故C错误； D．电动机之所以能转动，是因为换向器在线圈由于惯性刚转过平衡位置就会改变线圈中电流的方向，不是全部依靠惯性持续转动的，故D错误。 故选B。 2．小明为观察磁场对通电线圈的作用。如图所示，用漆包线做成线圈，线圈两端的漆全部刮去，放在接有电源的金属支架上并放入磁体中。闭合开关后，看到线圈 （“持续转动”/“左右摆动”/“静止不动”）。为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是下列哪两种 。 A．两侧全刮          B．一侧全刮，另一侧刮半周 C．两侧均刮上半周    D．一侧刮上半周，一侧刮下半周 【答案】 左右摆动 BC 【解析】[1]由图可知，闭合开关后，通电线圈在磁场中受力运动；线圈受力的方向与磁场的方向和电流的方向有关；当线圈转过平衡位置时，线圈受到的磁场力发生变化，使得线圈在平衡位置摆动几次后很快就停下来，故闭合开关后，看到线圈左右摆动。 [2]为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是将线圈两端的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮半周，或两侧均刮上半周；按这两种方法刮漆，线圈转到平衡位置时，线圈中没有电流，线圈由于惯性能够按原方向持续转动。 故选BC。 3．在探究“磁场对通电导体的作用”的实验中，小亮设计了如图所示的电路，导体棒ab用绝缘细线悬挂在蹄形磁铁的两极之间。 （1）闭合开关前，导体棒ab静止，闭合开关后，导体棒ab向右运动，说明磁场对 有力的作用； （2）断开开关，将图中磁铁的N、S 极对调，再闭合开关，会发现导体a、b的运动方向与对调前的运动方向 ，说明通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向有关； （3）小亮通过科学猜想并进行实验验证，证明了通电导体在磁场中的受力方向还与 有关； （4）试验时小亮应该选 （选填“铁棒”或“铜棒”）做材料制成导体棒ab。 【答案】 通电导体 相反 电流的方向 铜棒 【解析】（1）[1]将一根导体ab置于蹄形磁铁的两极之间，未闭合开关前，电路中没有电流，导体静止不动，闭合开关后，电路中有电流，导体运动，说明磁场对通电导体有力的作用。 （2）[2]断开开关，将图中磁铁的N、S极对调，磁场方向改变，再闭合开关，电流方向不变，会发现导体ab的运动方向与对调前的运动方向相反，向左运动，这说明通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向有关。 （3）[3]小亮通过科学猜想并进行实验验证，如将图中电源的正、负极对调，电流的方向发生了变化，再闭合开关，会发现导体a、b的运动方向与对调前的运动方向相反，这说明通电导体在磁场中的受力方向与电流的方向有关。 （4）[4] 实验中，磁场对通电导体的作用是用导体棒是否运动来体现的，为使实验顺利进行导体ab应该用不被磁铁吸引的铜棒。 4．如图甲是探究“磁场对通电导线的作用”实验装置。 （1）在实验时，是通过观察 来显示通电导体在磁场中受到磁场力的作用； （2）移动滑动变阻器的滑片到适当位置，闭合开关，发现金属棒ab向右运动。保持磁场方向不变，只改变电路中的电流方向，闭合开关，,发现金属棒ab向左运动；保持电流方向不变，只把磁铁的N、S极调换一下，发现金属棒ab向左运动；让磁场方向、电流方向同时改变，发现金属棒ab向右运动。根据观察到的实验现象，进行分析，可以得到的结论是：磁场对通电导线 （选填“有”或“没有”）力的作用，且力的方向与 和 有关； （3）根据该实验原理，小明用一段漆包铜线绕成线圈，自制了一个如图乙所示的简易电动机：用小刀刮去两端的漆皮，另一端只刮去半周。按这种方法刮漆的目的有两个：一是使线圈能够 ，二是这一部位能起到 （填某一部件的名称）的作用； （4）下列装置中用到该实验原理的是 （填字母序号）。 A．扬声器 B．动圈式话筒 C．发电机 【答案】 金属棒ab的运动 有 电流的方向 磁场的方向 导电 换向器 A 【解析】（1）[1]由图可知，闭合开关，电路中有电流通过，导体棒ab受力在磁场中运动，奥义在实验时，是通过观察金属棒ab的运动来显示通电导体在磁场中受到磁场力的作用，判断受力的方向。 （2）[2][3][4]闭合开关，发现金属棒ab向右运动；保持磁场方向不变，只改变电路中的电流方向，发现金属棒ab向左运动；保持电流方向不变，只把磁铁的N，闭合开关，说明通电导体受力的方向与磁场的方向有关；让磁场方向、电流方向同时改变，发现金属棒ab向右运动，通电导体受力的方向不变；综上所述磁场对通电导线有力的作用，且力的方向与电流的方向和磁场的方向有关。 （3）[5][6]将线圈两端引线的漆皮，金属具有导电性，一端全部刮掉，金属能够导电；二是另一端只刮去半周，当线圈刚转过平衡位置时，线圈由于惯性转过另半圈；它的作用就相当于电动机中的换向器。 （4）[7]A．扬声器的原理是电导体在磁场中受到磁场力的作用，故A符合题意； BC．动圈式话筒和发电机的原理是电磁感应，故BC不符合题意； 故选A。 题组C 培优拔尖练 1．自制扬声器如图所示：在空心塑料筒外缠绕线圈并粘贴在纸杯底部，上方放置强磁铁。现将干电池连接在线圈两端，线圈 （选填“会”或“不会”）持续受到磁场的作用力，扬声器纸杯 （“会”或“不会”）持续发声，当线圈被磁铁吸引时，磁铁下方靠近线圈的磁极为 （选填“N”或“S”）极，该磁极类型与地理 （选填“北”或“南”）极对应的地磁极类型相同。 【答案】 会 不会 N 南 【解析】[1][2]将干电池连接在线圈两端后，线圈中有电流通过，所以线圈会持续受到磁场力的作用；但由于干电池提供给线圈的是直流电，线圈在磁场中受力方向不会发生改变，所以线圈不能来回振动，则扬声器纸杯不会持续发声。 [3][4]根据安培定则，右手握住螺线管，四指指向电流方向，大拇指所指方向就是螺线管的N极，因此线圈的下端是N极，上端是S极，根据磁极间相互作用的关系可知，线圈被磁铁吸引，因此磁铁下方靠近线圈的磁极为N极，由于地磁场方向与地理方向相反，因此该磁极类型与地理南极对应的地磁极类型相同。 2．利用图甲所示的装置“观察磁场对通电直导线的作用”。 （1）应在M、N之间接入 （选填“小量程电流表”、“电源”或“灯泡”），装置中的导体棒应选用轻质的 （选填“铁棒”或“铝棒”）； （2）在正确完成（1）的操作后，闭合开关，发现导体棒AB在磁场力作用下向左运动，若要使导体棒AB在磁场力作用下向右运动，你采取的方法是 或 ； （3）如图乙中，磁体间磁场的磁感线方向都是从磁体N极水平指向S极，且线圈所处的空间磁场强弱是恒定不变的。通电后若cd段导线受磁场力的方向为竖直向下，则ab段导线所受磁场力的方向是 ，这两个力 （选填“是”或“不是”）一对平衡力，理由是 ； （4）小明自制了一个电动机，将线圈漆包线两端的漆全部刮去后，用导电支架托住，放入磁场中（如图丙所示）。闭合开关，发现线圈不能持续转动，只能在平衡位置附近摆动。线圈处于平衡位置时，线圈平面与磁感线 （选填“平行”或“垂直”）；为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是 。 【答案】 电源 铝棒 改变电流的方向 改变磁场的方向 竖直向上 不是 两个力的方向不在同一直线 垂直 将线圈两端的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮上半周或下半周 【解析】（1）[1]实验是利用如图所示的装置研究“磁场对通电直导线的作用”，即导线中必须有电流，所以在M、N间应接电源，使导线中有电流通过。 [2]探究磁场对电流作用时，因为磁体能够吸引磁性材料，因此通电导体不能为磁性材料，故不能选择铁棒进行实验，而选择铝棒。 （2）[3][4]通电导体在磁场中受到力的作用而运动，力的方向与电流的方向和磁场的方向有关，故若要使导体棒AB在磁场力作用下向右运动，可以改变电流的方向或改变磁场的方向。 （3）[5]在乙图中，通电后cd段导线受磁场力的方向为竖直向下，此时，ab段导线与cd段导线所在位置的磁场方向相同，电流方向相反，所以受到磁场力的方向相反，是竖直向上的。 [6] [7]这两个力不是一对平衡力，由图乙可知，这两个力不作用在一条直线上。 （4）[8]根据（3）中受力分析可知，当通电线圈所在平面与磁感线垂直时，线圈受平衡力的作用，此时线圈处于平衡位置。 [9]为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是将线圈两端的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮上半周或下半周。按这种方法刮漆，线圈在磁场中受磁场力的作用转动，当线圈转到平衡位置时，线圈中没有电流，线圈由于惯性能够按原方向持续转动，当通电线圈转过半圈后，线圈中电流再次接通，再受磁场力的作用，从而使线圈持续转动。 3．在互联网时代，传感器担负着信息采集的重要任务，可以实现“提醒”和“报警”功能。其中热敏传感器主要运用了热敏电阻来测量温度的变化。甲是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警线路图，其中热敏电阻的阻值R随温度t变化的图象如图乙所示，请回答以下问题： (1)闭合开关S1时，电磁铁d端为 极，为使温度升高到报警温度时发出报警信息，开关c应与触点 （选填“a”或“b”）相接通； (2)该报警器的控制电路的心脏是电磁铁，下列实验中与其工作原理相同的是 （选填序号）； (3)若通过电磁铁线圈ed的电流I0≥10mA才会报警，直流电源U1为18V，欲实现温度达到或超过60℃报警器响起，则滑动变阻器最大阻值不能小于 Ω。在其它条件不变的情况下，控制电路中电池使用一段时间后，电压会降低，将导致报警温度比原来设定的温度 （选填“高”或“低”）。若此时将滑动变阻器向 （选填“左”或“右”）移动，可达到原来的报警温度。 【答案】(1)S（南） a；(2)A；(3)1220 高 右 【解析】（1）[1]由图甲控制电路部分可知，电流从电磁铁右边流入，根据右手螺旋定则可知，电磁铁左端为N极，右端为S极，即d端为S极或南极 [2]由图乙可知，热敏电阻阻值随着温度的升高而减小，在控制电路中，热敏电阻与电磁铁以及滑动变阻器串联，所以当温度升高，热敏电阻阻值减小，即控制电路中电流增大，电磁铁磁性增强，会将铁皮吸住从而与d接触，因此为使温度升高到报警温度时发出报警信息，开关c应与触点a接触。 （2）电磁铁工作原理是电流的磁效应（电生磁）。 A．是奥斯特实验（通电导线旁小磁针偏转），是电流的磁效应 ，故A符合题意； B．是磁体周围存在磁场从而使小磁针指向特点方方向，是磁极间相互作用，故B不符合题意； C．是电动机的原理，即通电导体在磁场中受力运动，故C不符合题意。 故选A。 （3）[1][2][3]由图乙可知，当温度为60℃时，热敏电阻阻值，当电流为 刚好报警，则根据欧姆定律可得，此时控制电路总电阻为 根据串联电路电阻规律可得滑动变阻器此时接入电路的阻值 即滑动变阻器最大阻值不能小于。 若电源电压降低，但报警电流是不变的，即控制电路总电阻减小，若不调节滑动变阻器，则热敏电阻的阻值会变小，即报警温度将比原来更高。若要报警温度不断，即热敏电阻阻值不变，则滑动变阻器接入电路的阻值应减小，如图甲，滑动变阻器滑片应向右滑动。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 17.2 电动机转动的原理（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.5 结合实例，了解电动机的工作原理。通过实验，探究通电导体在磁场中受到力的作用，知道力的方向与电流方向、磁场方向的关系。了解换向器在电动机中的作用。 物理观念：认识通电导体在磁场中受力的规律，理解电动机的工作原理，明确电动机是将电能转化为机械能的装置，建立电与磁相互作用的完整认知。 科学思维：通过分析线圈在磁场中的运动状态变化，理解换向器的“换向”逻辑，发展动态推理和模型建构能力；能归纳受力方向与电流、磁场方向的关联，形成规律性认知。 科学探究：参与“探究磁场对通电导体的作用力”实验，经历“提出问题→设计方案→实验操作→分析结论”的探究流程，掌握转换法和控制变量法。 科学态度与责任：了解电动机在高铁、机器人等现代科技中的应用，感受我国“复兴号”等科技成就，增强民族自豪感；认识技术创新对科学原理实际应用的推动作用，培养对电磁学技术的兴趣和创新意识。 【学习重点】 1．通电导体在磁场中受力的规律（受力的存在性、力的方向与电流/磁场方向的关系）； 2．换向器的结构与核心作用（改变线圈电流方向，实现持续转动）； 3．直流电动机的工作原理（通电线圈受力转动+换向器持续换向）； 4．电动机的能量转化（电能→机械能）及典型应用。 【学习难点】 1．理解“平衡位置”的含义及线圈在平衡位置的运动特点； 2．换向器如何在关键时刻改变电流方向，使线圈越过平衡位置后持续转动； 3．受力方向与电流方向、磁场方向的双向关联（知二推一）。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．通电导体在磁场中______（会/不会）受到力的作用，这个力的方向与______方向和______方向都有关系。 2．通电线圈在磁场中会转动，但转到________________________位置时，线圈会停止转动，这个位置叫做______位置。 3．为使线圈持续转动，电动机中安装了____________，其最简单的结构是由两个彼此______的金属半圆环组成，作用是____________________________________________________________。 4．直流电动机的工作原理是：通电线圈在磁场中____________，通过____________及时改变线圈中的电流方向，从而实现线圈的______转动。 5．电动机工作时，将______能转化为______能，广泛应用于____________、____________、高铁等设备中。 【课堂探究】 探究一、通电导体在磁场中受到的作用力 1．探究目标 （1）通过实验验证通电导体在磁场中是否受力； （2）探究力的方向与电流方向、磁场方向的关系； （3）掌握实验中的控制变量法和转换法。 2．探究过程 （1）实验器材：蹄形磁铁（提供磁场）、金属棒（AB）、电源、开关、导线、支架（固定金属棒，使其可自由运动）。 （2）实验步骤（参照教材活动要求）： ① 组装装置：将金属棒AB用支架固定在蹄形磁铁两极之间，确保金属棒与磁感线垂直，连接电源、开关形成闭合电路； ② 探究“受力的存在性”： 闭合开关（通电流、有磁场），观察金属棒是否运动； 移走蹄形磁铁（通电流、无磁场），闭合开关，观察金属棒是否运动； 断开开关（无电流、有磁场），观察金属棒是否运动； ③ 探究“受力方向与电流方向的关系”（控制磁场方向不变）： 保持蹄形磁铁N、S极位置不变，闭合开关，记录金属棒运动方向； 调换电源正负极（改变电流方向），闭合开关，记录金属棒运动方向； ④ 探究“受力方向与磁场方向的关系”（控制电流方向不变）： 保持电源正负极不变（电流方向不变），闭合开关，记录金属棒运动方向； 调换蹄形磁铁N、S极（改变磁场方向），闭合开关，记录金属棒运动方向。 （3）实验数据记录（示例）： 实验条件 金属棒运动情况 结论 通电流、有磁场 运动 通电导体在磁场中受力 通电流、无磁场 不运动 受力需磁场存在 无电流、有磁场 不运动 受力需电流存在 磁场方向不变，改变电流方向 运动方向改变 受力方向与电流方向有关 电流方向不变，改变磁场方向 运动方向改变 受力方向与磁场方向有关 3．探究结论 （1）通电导体在磁场中______（会/不会）受到力的作用，受力的前提是______和______同时存在； （2）力的方向与______方向和______方向都有关，当其中一个方向改变时，力的方向______（改变/不变）；当两个方向同时改变时，力的方向______（改变/不变）。 【例题1】 关于通电导体在磁场中受力，下列说法正确的是（ ） A．通电导体在任何磁场中都受力 B．受力方向只与电流方向有关 C．改变磁场方向，受力方向一定改变 D．受力方向与电流方向无关 探究二、线圈在磁场中的运动与换向器的作用 1．探究目标 （1）分析通电线圈在磁场中的运动特点，理解“平衡位置”的含义； （2）明确换向器的结构和核心作用，解释线圈持续转动的原因。 2．探究过程 （1）线圈的初始运动分析： ① 如图（a），线圈平面与磁感线平行时，线圈两边的电流方向相反，根据受力规律，两边受到的力方向______（相同/相反），且不在同一直线上，因此线圈会______； ② 当线圈转到图（b）位置时，线圈平面与磁感线______，两边受到的力方向______（相同/相反），且在同一直线上，大小相等，线圈受力平衡，由于惯性来回摆动后停止，这个位置叫做____________。 （2）持续转动的解决方案——换向器： ① 结构分析：换向器由两个____________的金属半圆环组成，分别与线圈两端连接，通过______与电源两极接触； ② 工作逻辑：当线圈刚越过平衡位置时，换向器会自动调换与线圈连接的电源极性，从而______线圈中的电流方向； ③ 效果：电流方向改变后，线圈两边的受力方向______（改变/不变），使线圈继续沿原转动方向转动，避免停在平衡位置。 3．探究结论 （1）线圈在磁场中转动的关键障碍是______位置的受力平衡，需通过____________解决； （2）换向器的核心作用是：在线圈____________平衡位置的瞬间，改变线圈中的______方向，使线圈持续转动。 【例题2】 直流电动机中换向器的作用是（ ） A．改变磁场的方向 B．改变线圈的转动方向 C．改变线圈中的电流方向 D．改变电源的正负极 探究三、直流电动机的工作原理与应用 1．探究目标 （1）整合受力规律和换向器作用，理解直流电动机的完整工作流程； （2）了解电动机的能量转化和典型应用，建立“原理→技术→应用”的认知链。 2．探究过程 （1）直流电动机工作流程（结合图17-2-4）： ① 阶段1（线圈未到平衡位置）：电流通过电刷→换向器半环→线圈，线圈两边受力方向相反，沿逆时针转动； ② 阶段2（线圈到达平衡位置）：电刷与换向器的绝缘部分接触，线圈中______电流，不受力，靠______越过平衡位置； ③ 阶段3（线圈越过平衡位置）：换向器自动调换半环与电源的连接，______线圈电流方向，线圈两边受力方向反向，继续逆时针转动； ④ 循环往复，线圈持续转动。 （2）能量转化与应用： ① 能量转化：电动机工作时，将______能转化为______能，同时伴随少量内能损耗； ② 典型应用： 日常家电：电风扇、洗衣机、电动玩具； 现代科技：高铁（“复兴号”）、磁浮列车、机器人、摄像机； 特殊设备：动圈式扬声器（利用“变化电流在磁场中受力变化”实现振动发声）。 3．探究结论 （1）直流电动机的完整工作原理：____________在磁场中受力转动，____________及时改变线圈电流方向，实现持续转动； （2）电动机的核心优势：构造简单、效率高、控制方便、污染小，是电能转化为机械能的核心设备。 【例题3】下列设备中，利用电动机工作原理的是（ ） A．发电机 B．动圈式扬声器 C．电磁铁 D．电暖器 【归纳整理】 【课堂练习】 题组A 基础过关练 1．如图，闭合开关，铜棒向右运动，为使开关闭合后铜棒向左运动，下列操作可行的是（　　） A．换用更细的铜棒 B．将磁体的N、S极对调 C．移动滑动变阻器的滑片 D．将电源正、负极和磁体N、S同时对调 2．换向器 （1）组成：两个铜质半圆环。如图所示，C和D构成换向器，它们中间断开，彼此绝缘，且跟电刷A和B接触，与电源组成闭合回路。 （2）作用：当通电线圈刚转过平衡位置时，能自动改变线圈中的 方向，使线圈持续转动下去。 3．如图所示，把导线AB放在蹄形磁铁的磁场中，接通电源，让电流通过导线AB，发现导线AB会在导轨上向左运动，若把电源的正负极对调后接入电路，则导线AB （选填“向左”或“向右”）运动；若保持导线AB中的电流方向（由A到B）不变，把磁极对调，则导线AB （选填“向左”或“向右”）运动；若同时改变磁场方向和电流方向，则导线AB运动方向 （选填“变化”或“不变”）。实验表明： 对 有力的作用，通电导线受力的方向跟 方向和 方向有关。 4．学习了电磁转换知识后，小明利用一节干电池、一个硬铜导线框和纽扣强磁铁，可组装成一个简易电动机，如图所示，同时放手后可观察到导线框abcd以干电池为轴转动起来，导线框转动起来的原理是 ，若要改变导线框转动的方向，可以 ，若要改变导线框转动的速度，可以 ，导线框转动的能量由 能转化而来。 5．如图甲是叶子姐姐自制的小风扇，使用时发现小风扇转动，但风却向后吹。叶子姐姐设计了如图乙所示的实验，探究其原因。    （1）闭合开关，给导体棒ab通电，发现导体棒ab向右运动，这表明导体棒ab在磁场中受到 的作用； （2）保持磁场方向不变，将电源正、负极对调后接入电路，闭合开关，发现导体棒ab向左运动，这表明 ； （3）保持电流方向不变，将磁体的两极对调，闭合开关，发现导体棒ab向右运动，这表明 ； （4）上述实验的原理与 装置的原理相同。 A．动圈式话筒 B．扬声器 题组B 能力提升练 1．如图所示，图甲和图乙分别为直流电动机线圈在两个不同的时刻所处的位置，下列分析中正确的是（　　） A．导线ab中的电流方向在这两个时刻相同 B．导线ab在这两个时刻受到的磁场作用力方向不同 C．图乙中的线圈处在平衡位置上 D．由于具有惯性，线圈能持续转动 2．小明为观察磁场对通电线圈的作用。如图所示，用漆包线做成线圈，线圈两端的漆全部刮去，放在接有电源的金属支架上并放入磁体中。闭合开关后，看到线圈 （“持续转动”/“左右摆动”/“静止不动”）。为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是下列哪两种 。 A．两侧全刮          B．一侧全刮，另一侧刮半周 C．两侧均刮上半周    D．一侧刮上半周，一侧刮下半周 3．在探究“磁场对通电导体的作用”的实验中，小亮设计了如图所示的电路，导体棒ab用绝缘细线悬挂在蹄形磁铁的两极之间。 （1）闭合开关前，导体棒ab静止，闭合开关后，导体棒ab向右运动，说明磁场对 有力的作用； （2）断开开关，将图中磁铁的N、S 极对调，再闭合开关，会发现导体a、b的运动方向与对调前的运动方向 ，说明通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向有关； （3）小亮通过科学猜想并进行实验验证，证明了通电导体在磁场中的受力方向还与 有关； （4）试验时小亮应该选 （选填“铁棒”或“铜棒”）做材料制成导体棒ab。 4．如图甲是探究“磁场对通电导线的作用”实验装置。 （1）在实验时，是通过观察 来显示通电导体在磁场中受到磁场力的作用； （2）移动滑动变阻器的滑片到适当位置，闭合开关，发现金属棒ab向右运动。保持磁场方向不变，只改变电路中的电流方向，闭合开关，,发现金属棒ab向左运动；保持电流方向不变，只把磁铁的N、S极调换一下，发现金属棒ab向左运动；让磁场方向、电流方向同时改变，发现金属棒ab向右运动。根据观察到的实验现象，进行分析，可以得到的结论是：磁场对通电导线 （选填“有”或“没有”）力的作用，且力的方向与 和 有关； （3）根据该实验原理，小明用一段漆包铜线绕成线圈，自制了一个如图乙所示的简易电动机：用小刀刮去两端的漆皮，另一端只刮去半周。按这种方法刮漆的目的有两个：一是使线圈能够 ，二是这一部位能起到 （填某一部件的名称）的作用； （4）下列装置中用到该实验原理的是 （填字母序号）。 A．扬声器 B．动圈式话筒 C．发电机 题组C 培优拔尖练 1．自制扬声器如图所示：在空心塑料筒外缠绕线圈并粘贴在纸杯底部，上方放置强磁铁。现将干电池连接在线圈两端，线圈 （选填“会”或“不会”）持续受到磁场的作用力，扬声器纸杯 （“会”或“不会”）持续发声，当线圈被磁铁吸引时，磁铁下方靠近线圈的磁极为 （选填“N”或“S”）极，该磁极类型与地理 （选填“北”或“南”）极对应的地磁极类型相同。 2．利用图甲所示的装置“观察磁场对通电直导线的作用”。 （1）应在M、N之间接入 （选填“小量程电流表”、“电源”或“灯泡”），装置中的导体棒应选用轻质的 （选填“铁棒”或“铝棒”）； （2）在正确完成（1）的操作后，闭合开关，发现导体棒AB在磁场力作用下向左运动，若要使导体棒AB在磁场力作用下向右运动，你采取的方法是 或 ； （3）如图乙中，磁体间磁场的磁感线方向都是从磁体N极水平指向S极，且线圈所处的空间磁场强弱是恒定不变的。通电后若cd段导线受磁场力的方向为竖直向下，则ab段导线所受磁场力的方向是 ，这两个力 （选填“是”或“不是”）一对平衡力，理由是 ； （4）小明自制了一个电动机，将线圈漆包线两端的漆全部刮去后，用导电支架托住，放入磁场中（如图丙所示）。闭合开关，发现线圈不能持续转动，只能在平衡位置附近摆动。线圈处于平衡位置时，线圈平面与磁感线 （选填“平行”或“垂直”）；为了使线圈能持续转动，正确的刮漆方法应该是 。 3．在互联网时代，传感器担负着信息采集的重要任务，可以实现“提醒”和“报警”功能。其中热敏传感器主要运用了热敏电阻来测量温度的变化。甲是由热敏电阻R1作为传感器制作的简单自动报警线路图，其中热敏电阻的阻值R随温度t变化的图象如图乙所示，请回答以下问题： (1)闭合开关S1时，电磁铁d端为 极，为使温度升高到报警温度时发出报警信息，开关c应与触点 （选填“a”或“b”）相接通； (2)该报警器的控制电路的心脏是电磁铁，下列实验中与其工作原理相同的是 （选填序号）； (3)若通过电磁铁线圈ed的电流I0≥10mA才会报警，直流电源U1为18V，欲实现温度达到或超过60℃报警器响起，则滑动变阻器最大阻值不能小于 Ω。在其它条件不变的情况下，控制电路中电池使用一段时间后，电压会降低，将导致报警温度比原来设定的温度 （选填“高”或“低”）。若此时将滑动变阻器向 （选填“左”或“右”）移动，可达到原来的报警温度。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $