20.4电动机 教学设计 2025-2026学年度人教版物理九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦电动机工作原理，围绕磁场对通电导体的作用规律、换向器功能展开。通过生活中电风扇、洗衣机等电动机应用情景导入，关联“电生磁”旧知，引导学生提出疑问，搭建探究支架。 资料以实验探究为主线，通过分组实验探究磁场对通电导体的作用力方向与磁场、电流方向的关系，结合简化线圈模型分析换向器作用，体现科学探究与科学思维。练习设计联系生活实例，助力学生构建物理观念，提升教师教学效率与学生知识应用能力。

20.4电动机教案 一、核心素养目标 1物理观念：认识电动机的工作原理，理解磁场对通电导体的作用，明确换向器的功能；建立电与磁相互作用转化为机械能的认知，知晓电动机在生活科技中的应用价值。 2科学思维：通过实验现象推理磁场对通电导体的作用规律，分析电动机的工作逻辑，培养逻辑推理与系统思维能力。 3科学探究与创新意识：经历磁场对通电导体作用、电动机工作原理探究的过程，提升观察、操作、分析归纳的探究能力，激发创新应用思考。 4科学态度与责任：了解电动机在工业生产、日常生活中的广泛应用，认识物理知识转化为技术的价值，增强科学探究的责任意识与技术应用意识。 二、教学重难点 1重点：磁场对通电导体的作用规律；电动机的工作原理；换向器的结构与功能。 2难点：理解磁场对通电导体产生力的作用的本质；厘清电动机中线圈持续转动的原理（换向器的作用）；运用磁场对通电导体的作用规律分析电动机的工作过程。 三、教学过程 （一）议题导入：创设情景，提出核心议题 呈现情景：生活中，电风扇通电后扇叶转动带来凉风，洗衣机通电后内筒转动实现洗涤，电动汽车通电后车轮转动驱动行驶，工业生产中的机床、起重机等设备也离不开电动机的驱动。这些设备的核心部件都是电动机，它能将电能高效转化为机械能，为生产生活提供动力。 师生互动：1引导学生观察身边依赖电动机工作的设备，思考其动力来源的共性；2小组讨论：电动机通电后为什么能转动？电能是如何转化为机械能的？3教师梳理学生疑问，提出核心议题：磁场对通电导体是否有力的作用？电动机是如何利用这一作用实现持续转动的？换向器在其中起到了什么作用？ 设计意图：通过生活中典型的电动机应用情景，唤醒学生的探究兴趣，搭建新旧知识（电生磁）的桥梁，明确本节课的探究方向，为议题式教学的展开奠定基础。 （二）实验探究一：磁场对通电导体的作用——突破重点 1提出猜想：基于电生磁的已有认知，引导学生逆向猜想：磁体周围存在磁场，通电导体周围也存在磁场，那么磁场对通电导体是否会产生力的作用？ 2实验准备：每组配备U形磁体（提供磁场）、电源、开关、导线、可自由运动的通电导体棒（如铝棒）、支架等器材。 3探究任务：探究磁场对通电导体是否有力的作用，以及力的方向与哪些因素有关 师生互动： （1）实验setup：将U形磁体固定在支架上，使磁体两极间形成匀强磁场（磁场方向由N极指向S极）；将通电导体棒水平悬挂在磁体两极之间，确保导体棒与磁场方向垂直；用导线将导体棒、开关、电源串联组成电路； （2）分组实验： ①闭合开关，观察导体棒是否运动； ②断开开关，观察导体棒是否恢复静止； ③改变磁场方向（将U形磁体的N极和S极对调），闭合开关，观察导体棒运动方向是否改变； ④保持磁场方向不变，改变电流方向（调换电源正负极），闭合开关，观察导体棒运动方向是否改变； （3）现象分享：各小组汇报实验现象，教师引导总结： ①闭合开关后导体棒发生运动，说明磁场对通电导体有力的作用；断开开关后导体棒静止，说明力的产生与电流有关； ②改变磁场方向，导体棒运动方向改变；改变电流方向，导体棒运动方向也改变； （4）规律提炼：磁场对通电导体有力的作用，力的方向与磁场方向和电流方向有关；当磁场方向或电流方向其中一个改变时，力的方向改变；当两者同时改变时，力的方向不变； （5）能量转化：引导学生分析：通电导体在磁场中运动，消耗电能，获得机械能，该过程是电能转化为机械能。 （三）实验探究二：电动机的工作原理——突破重难点 1提出问题：基于磁场对通电导体的作用，如何让导体持续转动，从而制成电动机？ 2简化模型：探究线圈在磁场中的转动 实验准备：每组配备U形磁体、电源、开关、导线、矩形线圈（可自由转动）、支架等器材。 师生互动： （1）实验setup：将矩形线圈固定在可自由转动的支架上，放入U形磁体两极间（磁场方向由N极指向S极）；用导线将线圈、开关、电源串联； （2）分组实验：闭合开关，观察线圈的转动情况； （3）现象分析：学生发现线圈转动半周后停止转动；教师引导思考：线圈转动半周后，电流方向和磁场方向未变，线圈受到的力的方向不变，导致线圈被卡住无法继续转动； （4）解决问题：提出疑问：如何让线圈转过半周后继续转动？引导学生思考：需要在线圈转过半周时改变电流方向，从而改变力的方向，使线圈持续转动； （5）部件引入：介绍换向器的结构与功能——换向器由两个半铜环组成，分别与线圈的两端相连，随线圈一起转动；外部与两个电刷接触，电刷固定不动，连接电源； （6）原理讲解：当线圈转过平衡位置（线圈平面与磁场方向垂直的位置）时，换向器自动改变线圈中的电流方向，从而改变线圈受到的力的方向，使线圈持续顺时针（或逆时针）转动。 3电动机的完整结构与工作原理 师生互动： （1）结构认知：展示电动机实物和结构图，引导学生识别各组成部分：定子（固定不动的部分，如磁体）、转子（转动的部分，如线圈）、换向器、电刷、电源； （2）完整工作原理梳理： ①闭合开关，电流通过电刷、换向器流入线圈，线圈在磁场中受到力的作用而转动； ②当线圈转过平衡位置时，换向器的两个半铜环与电刷的接触位置改变，自动改变线圈中的电流方向； ③电流方向改变，线圈受到的力的方向改变，使线圈持续转动； （3）能量转化：明确电动机工作时，电能转化为机械能； （4）优化拓展：讲解实际电动机的优化设计——采用多匝线圈、多个换向器、电磁铁代替永磁体等，目的是增强动力、使转动更平稳，满足不同场景的使用需求。 （四）议题拓展：电动机的应用与发展 师生互动： 1回归导入情景：结合电风扇、洗衣机、电动汽车、机床等设备，分析电动机在其中的作用——为设备提供动力，实现电能到机械能的转化； 2小组讨论：列举生活中其他应用电动机的场景（如电动自行车、电梯、无人机、冰箱压缩机等），分析其特点（如小型化、高效化、静音化）； 3教师总结：电动机是电能转化为机械能的核心设备，其应用覆盖生产生活、科技国防等多个领域，推动了人类社会的工业化和智能化发展；随着技术进步，电动机正向高效、节能、环保的方向发展。 （五）议题总结：梳理核心知识体系 师生互动： 1引导学生围绕核心议题，梳理本节课的核心知识，教师提炼关键词并强化： （1）核心规律：磁场对通电导体有力的作用，力的方向与磁场方向、电流方向有关； （2）电动机核心：组成（定子、转子、换向器、电刷）、原理（利用磁场对通电线圈的作用，通过换向器实现持续转动）、能量转化（电能→机械能）； （3）换向器功能：线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，保证线圈持续转动； （4）知识关联：电动机的工作基于磁场对通电导体的作用，是电与磁相互作用的重要应用，实现了电能到机械能的转化。 2价值升华：引导学生认识到，从磁场对通电导体的作用规律发现，到电动机的发明与应用，是物理规律从理论到实践的转化过程，体现了科学、技术、社会的紧密联系。 （六）重点知识归纳概括 1磁场对通电导体的作用： （1）核心结论：磁场对通电导体有力的作用，力的方向与磁场方向和电流方向有关； （2）方向规律：磁场方向或电流方向单独改变，力的方向改变；两者同时改变，力的方向不变； （3）前提条件：导体中的电流方向与磁场方向不平行（垂直时力最大，平行时力为零）； （4）能量转化：电能转化为机械能。 2电动机的核心要素： （1）基本组成：定子（提供磁场，可由永磁体或电磁铁组成）、转子（线圈，可转动）、换向器、电刷、电源； （2）核心部件——换向器：①结构：两个半铜环；②功能：线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动；③工作配合：与电刷接触，实现转动的线圈与固定电源的电路连接； （3）工作原理：利用磁场对通电线圈的作用力，使线圈转动；通过换向器改变电流方向，保证线圈持续转动； （4）能量转化：电能转化为机械能； （5）实际优化：采用多匝线圈（增强动力）、多个磁极（转动更平稳）、电磁铁（磁场更强，可调节）等设计。 3电动机的应用： （1）日常生活：电风扇、洗衣机、电动自行车、冰箱、空调、无人机等； （2）工业生产：机床、起重机、水泵、鼓风机等； （3）科技国防：电动汽车、高铁、卫星姿态调整装置等。 （七）练习巩固 某科技小组开展电动机相关探究实验，实验过程如下：第一阶段探究磁场对通电导体的作用，选用U形磁体、可自由运动的铝棒、电源、开关和导线，记录不同条件下铝棒的运动情况；第二阶段探究电动机的工作原理，组装包含线圈、换向器、电刷、U形磁体和电源的简易电动机模型，观察线圈的转动情况。实验中发现：铝棒与磁场方向垂直时，运动最明显；改变电源正负极，铝棒运动方向改变；简易电动机模型中，去掉换向器后，线圈仅能转动半周就停止。结合该实验情景及生活中的电动机应用，完成下列题目。 1关于该实验中“磁场对通电导体的作用”，下列说法正确的是【】 A通电导体在磁场中一定受到力的作用 B铝棒运动方向仅与磁场方向有关 C该现象中电能转化为机械能 D断开开关后，铝棒仍会持续运动 2实验中“铝棒与磁场方向垂直时，运动最明显”，这一现象表明【】 A磁场对通电导体的作用力大小与导体长度有关 B磁场对通电导体的作用力大小与磁场方向和电流方向的夹角有关 C磁场方向与电流方向垂直时，磁场最强 D导体运动方向与磁场方向垂直时，运动速度最大 3关于简易电动机模型中换向器的作用，下列说法正确的是【】 A提供持续的电流 B改变磁场的方向 C线圈转过平衡位置时，改变线圈中的电流方向 D增大线圈中的电流大小 4实验中“去掉换向器后，线圈仅能转动半周就停止”，其原因是【】 A线圈转过半周后，磁场方向改变 B线圈转过半周后，电流方向消失 C线圈转过半周后，受到的力的方向与转动方向相反 D线圈转过半周后，线圈的重力阻碍转动 5生活中，电动自行车的核心部件是电动机，下列关于电动自行车电动机的说法正确的是【】 A工作时将机械能转化为电能 B利用电磁感应现象工作 C转动过程中需要换向器改变电流方向 D定子是线圈，转子是磁体 6某同学调整简易电动机模型的实验装置，下列措施中能使线圈转动更平稳、动力更大的是【】 A减少线圈的匝数 B用电磁铁代替永磁体 C增大电源电压 D去掉线圈中的铁芯 7关于电动机和电磁铁的工作原理，下列说法正确的是【】 A两者均基于磁场对通电导体的作用 B两者均基于电流的磁效应 C电动机基于磁场对通电导体的作用，电磁铁基于电流的磁效应 D电动机基于电流的磁效应，电磁铁基于磁场对通电导体的作用 8某电动汽车的电动机工作时，磁场方向保持不变。若要改变电动机的转动方向，下列措施可行的是【】 A增大电源电压 B减小电源电压 C改变电流方向 D增加线圈匝数 9结合上述科技小组的实验情景，回答下列问题： （1）实验中“改变电源正负极，铝棒运动方向改变”，请解释这一现象的原因； （2）简易电动机模型中，平衡位置是指什么位置？线圈在平衡位置时，为什么会停止转动（去掉换向器的情况下）？ （3）若要使简易电动机模型的线圈转动速度加快，可采取哪些措施？请写出两种，并说明理由。 10某同学设计了一个简易电动小船，小船的动力装置是一个小型电动机，电动机连接电池、开关和换向器，螺旋桨固定在电动机的转轴上。闭合开关后，电动机带动螺旋桨转动，推动小船前进。结合该设计，回答下列问题： （1）请分析该电动小船的能量转化过程； （2）若闭合开关后，电动机不转动，请分析可能的故障原因（写出两种）； （3）若要使小船的前进方向改变，可采取哪些措施？请说明理由。 （八）答案解析 1答案：C解析：当导体电流方向与磁场方向平行时，不受力的作用，A错误；铝棒运动方向与磁场方向和电流方向均有关，B错误；通电导体在磁场中运动，电能转化为机械能，C正确；断开开关，电流消失，力消失，铝棒停止运动，D错误。 2答案：B解析：铝棒与磁场方向垂直时运动最明显，说明此时作用力最大，表明作用力大小与磁场方向和电流方向的夹角有关，B正确；实验未涉及导体长度、磁场强弱、运动速度的比较，A、C、D错误。 3答案：C解析：换向器的核心功能是线圈转过平衡位置时改变线圈中的电流方向，C正确；提供持续电流的是电源，A错误；换向器不改变磁场方向、不增大电流，B、D错误。 4答案：C解析：去掉换向器后，线圈转过半周，电流方向和磁场方向不变，受力方向不变，与线圈转动方向相反，导致线圈停止，C正确；磁场方向不变、电流不消失，重力不是主要阻碍因素，A、B、D错误。 5答案：C解析：电动机工作时电能转化为机械能，A错误；利用磁场对通电导体的作用工作，B错误；转动过程中需换向器改变电流方向以持续转动，C正确；定子是磁体，转子是线圈，D错误。 6答案：B解析：用电磁铁代替永磁体可增强磁场，使线圈受力更大、转动更平稳，B正确；减少匝数、去掉铁芯会减弱动力，A、D错误；增大电压可加快转速，但对转动平稳性影响不大，C错误。 7答案：C解析：电动机基于磁场对通电导体的作用，电磁铁基于电流的磁效应，C正确；A、B、D对原理的对应关系错误。 8答案：C解析：磁场方向不变时，改变电流方向可改变电动机转动方向，C正确；增减电压、增加匝数影响转速，不影响转动方向，A、B、D错误。 9答案：（1）磁场对通电导体的作用力方向与电流方向有关；改变电源正负极，导体中的电流方向改变，而磁场方向不变，因此作用力方向改变，铝棒运动方向改变。（2）平衡位置是指线圈平面与磁场方向垂直的位置；去掉换向器后，线圈转过平衡位置时，电流方向和磁场方向均未改变，线圈受到的力的方向与转动方向相反，阻碍线圈继续转动，因此线圈停止。（3）措施一：增大电源电压；理由：电源电压增大，电路中的电流增大，磁场对通电线圈的作用力增大，线圈转动速度加快。措施二：增加线圈匝数；理由：线圈匝数越多，在磁场中受到的总作用力越大，转动速度加快。措施三：增强磁场强度（如更换磁性更强的磁体）；理由：磁场越强，对通电线圈的作用力越大，转动速度加快。（写出两种即可） 10答案：（1）能量转化过程：电池提供电能，电流通过电动机，电动机将电能转化为机械能，带动螺旋桨转动；螺旋桨转动推动水，水对螺旋桨产生反作用力，推动小船前进，该过程中机械能从电动机传递到小船。（2）故障原因：①电路断路（如导线接触不良、开关损坏），电路中无电流，电动机不受力，不转动；②线圈被卡住（如螺旋桨被异物缠绕），即使有电流，线圈无法运动；③电源电压过低，电流过小，磁场对线圈的作用力不足，无法带动螺旋桨转动；④换向器接触不良，无法形成完整电路，线圈无电流。（写出两种即可）（3）措施一：改变电流方向；理由：磁场方向不变时，改变电流方向可改变电动机的转动方向，螺旋桨转动方向改变，推动小船的力的方向改变，小船前进方向改变。措施二：改变磁场方向（如更换电动机内磁体的磁极方向）；理由：电流方向不变时，改变磁场方向可改变电动机转动方向，进而改变小船前进方向。 学科网（北京）股份有限公司 $