20.5 跨学科实践：制作简易直流电动机 导学案 2026-2027学年物理人教版九年级全一册

该初中物理导学案聚焦直流电动机的结构、原理及简易制作，通过课前拆解废旧电动机联系上一节原理，引导学生从识别磁体、线圈等核心结构到理解换向器作用，构建“原理回顾-实践制作-故障诊断”的学习支架，衔接电与磁知识与现代电机技术应用。 资料以跨学科实践为特色，通过规范的漆包线绕制、刮漆调试等操作培养科学探究能力，结合故障树分析和现代电机案例渗透科学思维，例题与课后巩固注重原理应用与问题解决，助力学生形成从模型到技术的认知，提升物理观念与工程实践素养。

【2026-2027学年】初中物理人教版九年级全一册——第二十章 电与磁 第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机（新授课）导学案（课后巩固） 【模块一 学习目标】 1. 能对照实物或示意图，准确说出直流电动机中磁体、线圈、换向器、电刷的安装位置与结构特点，用自己的语言阐明换向器如何实现电流方向的自动改变。 2. 在制作简易直流电动机的过程中，能规范完成漆包线绕制、支架弯折、绝缘漆刮除、磁铁放置等操作，并通过调试让线圈持续转动。 3. 能根据线圈的转动情况，诊断线圈不平衡、接触不良、绝缘漆刮除不到位等常见故障，并采取针对性措施排除故障。 4. 通过对比简易电动机与新能源汽车驱动电机、机器人伺服电机的异同，初步形成"从原理模型到技术应用"的跨学科思维，体会物理对工程技术的推动作用。 【模块二 课前预习】 第1题：上一节我们学习了电动机的基本原理。通电线圈在磁场中为什么会转动？何时需要换向器？如果用双向电流驱动，换向器是否可省略？请结合平衡位置的概念，用图示和文字简要说明。 第2题：通读教材"制作简易直流电动机"的实践内容，列出所需全部材料（如漆包线、磁铁、回形针、砂纸等），并用流程图的形式写出制作步骤，标注每一步的操作要点。 第3题：找一台废旧电动玩具（如四驱车、剃须刀）或一个小风扇，在家长监督下安全拆解，找到内部的电动机。观察它的线圈、磁铁、电刷和换向器，尝试将其构造与课本中的简易电动机对比，记录两点相同和两点不同。 【模块三 知识点梳理】 一、直流电动机的结构与原理再认识 1. 【核心结构】直流电动机由【定子】（固定不动的磁体）、【转子】（可转动的线圈）、【换向器】（两个彼此绝缘的半圆铜环）和【电刷】（与换向器接触的金属片）组成。定子提供稳定磁场，转子作为通电导体在磁场中受力转动。 【温馨提示】简易电动机中，定子就是永久磁铁，转子就是我们绕制的漆包线线圈，而换向器和电刷合为一体——线圈两端的刮漆部分充当换向器，回形针支架充当电刷。这是结构简化的关键。 图1 直流电动机结构示意图 2. 【工作原理】通电线圈在磁场中会受到力的作用。线圈长边受到的磁场力方向相反，形成力偶，使线圈转动。当线圈平面转过平衡位置（与磁感线垂直的面）时，换向器自动改变线圈中的电流方向，使得线圈两边受力的方向同步改变，从而保持持续转动。 【教师设问】有没有同学想过：如果不用换向器，线圈会怎样？学生思考后不难回答：线圈会因惯性转过平衡位置一小段，随即受力方向反转，制动并反向转回，最终停在平衡位置，无法连续转动。 3. 【换向器的实质】换向器是直流电动机中实现【电流换向】的装置。它的作用不是改变磁极，而是改变线圈中的电流方向，确保线圈每转过半圈，受力方向都朝同一旋转方向，维持持续转动。 【注意】简易电动机中，我们只将线圈一端的绝缘漆全部刮去，另一端只刮去半边绝缘漆。这样，当刮半边漆的一端转到与支架接触时，若刮漆面接触，电路接通；若未刮漆面接触，电路断开。这就巧妙地同时实现了"通电驱动"和"断电靠惯性通过平衡位置"，从而省去了复杂的换向器结构。 二、简易直流电动机的制作要点 1. 【材料准备】直径0.5mm左右的漆包线约1.5m、强磁铁（钕铁硼磁铁）一片或两块、大号回形针两枚、砂纸一小片、泡沫块或木板做底座、导线两根、电池盒（装两节干电池）。 2. 【绕制线圈】将漆包线在方形物体（如火柴盒、手机电池）上紧密绕12～15匝，形成矩形线圈。两端各留出约4cm的引线，作为转轴。从绕线物上取下线圈后，用两手轻轻拉整形，使线圈对称、方正。两根引线必须严格保持在同一条直线上（即线圈的轴线上），否则线圈转动时会严重晃动。 图2 线圈绕制示意图 【图像说明：线圈绕制示意图，矩形线圈水平放置，长轴方向引出两根转轴，两根转轴共线，与线圈所在平面垂直。】 3. 【刮除绝缘漆——换向器的灵魂】用砂纸处理线圈两根引线：将【A端】的绝缘漆全部刮除，使铜线裸露；将【B端】只刮去与转轴轴线平行的同一侧的一半绝缘漆（如只刮去上方半面，保留下方半面的漆）。通俗说，就是B端转轴横截面呈半圆裸露、半圆有漆。这一步直接决定电动机能否持续转动，是"一刮定成败"的操作。 【操作检验】将B端引线放在支架上，缓慢转动线圈，用万用表欧姆挡测量支架两端电阻：刮漆面朝向支架时电阻为零，非刮漆面朝向支架时电阻无穷大，即为合格。 4. 【支架与磁铁安装】将两枚回形针展开，弯成M形支架，插在泡沫底座上，高度一致。把线圈转轴架在支架上，调整支架间距，使线圈能灵活转动且不脱落。将强磁铁放在线圈正下方的底座上，磁极朝向线圈。磁场越强，转动力矩越大。 图3 电动机整体装置示意图 【图像说明：电动机整体装置示意图，底座上固定M形金属支架，线圈转轴横架其上，线圈下方贴有磁铁，电池通过导线连接两支架。】 5. 【电路连接与调试】将电池盒的正负极分别连接到两个支架上，用手轻推线圈助转。若线圈不转，按"一查刮漆、二调平衡、三增磁力"的顺序排查。线圈转动后，可用细竹签蘸少量润滑油加在转轴接触处，减小摩擦。 三、简易电动机不转的常见故障诊断 1. 【刮漆问题】B端刮漆方向错误（如上下半面都刮了或都没刮），或者刮漆面积不足，导致电路始终接通或始终断开。纠正：重新仔细刮漆，只留一个半面裸铜。 2. 【平衡问题】线圈重心不在转轴上，引线弯曲变形，转动时被支架卡住。解决：用镊子调整两根引线，使其笔直共线，必要时在轻的一侧滴一点蜡配平。 3. 【接触不良】转轴与支架接触点氧化、积污，或支架弹性不足。用砂纸打磨触点，调整支架弯度，保证良好接触。 4. 【磁场太弱】磁铁磁性不足或离线圈太远。更换强磁铁或缩小线圈与磁铁的距离，但注意不能刮碰。 【师生互动设计】教师先演示一个制作失败的线圈（B端全刮漆），让学生观察现象：一通电，线圈左右摆动几下就停在平衡位置。再让学生讨论原因，并拿出半刮漆的合格线圈对比，直观理解换向器的作用。 四、从简易电动机到现代电机技术 【情境导入——前沿科技】2024年，我国新能源汽车驱动电机功率密度已突破4.8kW/kg，电机转速高达20000r/min。尽管这些电机采用永磁同步、交流异步等先进技术，但其基本物理原理仍然是通电导体在磁场中受力。我们今天制作的简易电动机，可看作所有旋转电机的"细胞模型"。特斯拉电机中的定子绕组、转子磁钢，与我们的线圈和磁铁一脉相承。同样，扫地机器人、无人机中的伺服电机，都离不开"磁场＋电流＝力"这一核心。 思考问题：要使简易电动机的转速提高，可采取哪些措施？学生讨论后总结：增大电流（提高电压）、增强磁场（叠加磁铁）、减轻线圈质量、减小摩擦。 【板书设计】 标题：第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机 左区：一、直流电动机结构（定子·转子·换向器·电刷）→ 二、工作原理（受力→力偶→换向→持续转动） 中区：三、制作要点（绕线→整形→刮漆（全/半）→支架磁铁→调试） 右区：四、故障分析（刮漆·平衡·接触·磁场）→ 拓展：现代电机 【模块四 例题讲解】 例1：小明用漆包线绕了一个40匝的矩形线圈，线圈长边为4cm，宽边为3cm。他将线圈一端引线的绝缘漆全部刮去，另一端引线只刮去半面绝缘漆，组装成简易电动机，接在3V电源上，线圈正常转动。请问： (1) 如果他将另一端引线的绝缘漆也全部刮去，通电后会出现什么现象？为什么？ (2) 若保持刮漆方式不变，将电源电压提高到6V，线圈转速如何变化？这说明了什么物理道理？ 【详细解答】 (1) 若另一端也全刮漆，则线圈每转一圈电路始终接通，不存在断电状态。当线圈靠惯性转过平衡位置后，线圈中电流方向未变，但线圈相对磁场的位置已变，所受磁力矩变为阻碍转动的方向。线圈会在平衡位置附近往复摆动几次，最终静止在平衡位置，无法持续转动。这是因为缺少了"断电半圈"的惯性越过过程，换向功能丧失。 (2) 电压提高到6V，线圈中电流增大，线圈长边受到的磁场力F=BIL增大，磁力矩增大，所以线圈转速加快。这说明直流电动机的转速与输入电压（电流）有关，电压越高，输出功率越大，转速越高。 【方法总结】 分析电动机转动问题要紧扣两个关键：一是换向器是否有效（半刮漆是否到位），二是力的大小由BIL决定。牢记半刮漆的目的是"通电半圈驱动，断电半圈靠惯性"，从而实现连续转动。 例2：在制作简易电动机的过程中，小华将线圈两端的引线都刮去了一半绝缘漆，而且刮漆面都在引线的同一侧（如都朝上），结果线圈不转。请你分析故障原因，并给出修改方案。 【详细解答】 两端都刮半漆且在同一侧，意味着当线圈转过180°后，两端刮漆面的朝向也会互换。具体来说，当A端刮漆面接触支架时，B端刮漆面也接触支架，电路导通；当线圈转过半圈，A端刮漆面朝上（不接触支架），B端刮漆面也朝上，电路断开。这样做看似可以实现"半圈通、半圈断"，但实际上线圈转动90°时，两个刮漆面可能一个接触一个不接触，造成电路时而通时而断，无法形成稳定的驱动力矩。正确做法是一端全刮、另一端半刮。修改：将A端漆全部刮去，B端保留原有半刮漆即可。 【方法总结】 换向器功能的实现必须具备不对称性。全刮＋半刮的组合，才能保证每半圈中电流方向自动改变一次。对称刮漆极易导致接触时序混乱，核心要记住"一端全裸、一端半裸"。 【模块五 课堂练习】 基础巩固第1题：直流电动机的换向器的作用是（ ） A. 改变线圈的转动方向 B. 改变线圈中的电流大小 C. 自动改变线圈中的电流方向 D. 自动改变磁感线的方向 基础巩固第2题：制作简易直流电动机时，将线圈一端引线的绝缘漆全部刮去，另一端引线只刮去半面。这样处理的目的是使线圈（ ） A. 每转过一圈电路导通两次 B. 每转过一圈电路只导通半圈 C. 始终有电流通过 D. 没有电流通过 基础巩固第3题：小明制作的简易电动机通电后不转，用手拨动一下线圈后能连续转动。这最可能的原因是（ ） A. 磁铁磁性太强 B. 线圈起始位置恰好在平衡位置 C. 电池电压太低 D. 线圈匝数太少 基础巩固第4题：在"制作简易直流电动机"的活动中，某小组将线圈两端引线的绝缘漆都全部刮去，并把两片半圆形铜片分别固定在转轴上，再用两片磷铜片压住铜片作为电刷。这实际上是模拟了实际电动机中的__装置。 能力提升第5题：小丽用0.5mm漆包线绕制一个30匝的矩形线圈（长5cm、宽4cm），B端只刮去上半面绝缘漆。她把线圈放在两块叠加的磁铁上，接4.5V电源，线圈转速约120r/min。若要使转速达到180r/min，在不改变线圈尺寸和磁铁的前提下，请提出两种可行的改进措施，并说明理由。 能力提升第6题：某同学在调试简易电动机时发现，线圈转动几圈后速度逐渐变慢，最终停下来，用手摸线圈引线和支架有热感。请分析可能的原因，并提出解决方法。 能力提升第7题：在制作电动机的刮漆环节，小张错将B端的刮漆面刮在了下半部，而A端全刮。和正确的上半面刮漆相比，线圈的转动方向会发生什么变化？请结合换向原理说明。 能力提升第8题：如图为简易直流电动机的结构模型：底座上放置磁铁，线圈转轴架在金属支架上，电池给支架供电。请用文字描述该装置的能量转化过程，并指出一个可以提高能量转化效率的途径。（本题6分） 【模块六 参考答案】 【课堂练习参考答案】 基础巩固第1题：【答案】C 【解析】换向器通过改变线圈中电流方向，使线圈两边受力方向始终有利于转动，A错，转动方向由电流方向和磁场方向共同决定；B错，电流大小由电源和电阻决定；D错，磁场方向由磁铁决定。故选C。 基础巩固第2题：【答案】B 【解析】一端全刮始终导通，另一端半刮只有半圈接触支架，所以每转一圈电路只导通半圈，后半圈断开靠惯性。故选B。 基础巩固第3题：【答案】B 【解析】起始在平衡位置时，线圈两边受力在同一直线上，力矩为零，无法启动。用手拨动离开平衡位置后即可进入工作循环。磁性强、电压低一般会导致启动后也难维持，但题中拨动后能连续转动，排除C；匝数少同样会力矩不足，但由能连续转可知力矩尚可，故B最可能。 基础巩固第4题：【答案】换向器 【解析】两片彼此绝缘的半圆形铜环与电刷配合，即构成换向器，可自动改变电流方向。 能力提升第5题：【答案】措施一：将电源电压提高到6V。理由：电压增大，线圈电流增大，安培力F=BIL增大，磁力矩增大，转速提高。措施二：将两块磁铁的N极都朝上、S极朝下并排紧贴线圈下方，以增强线圈所在处的磁场B。理由：F=BIL，B增大，力矩增大，转速提高。（其他合理答案如减少支架摩擦等也可） 能力提升第6题：【答案】可能原因是转轴与支架接触电阻过大，导致接触处发热严重，消耗了大量电能，线圈获得的机械功率下降，同时摩擦力增大。解决方法：用细砂纸打磨转轴裸铜部分和支架接触点，确保光洁接触良好；也可适当增加支架弹性，保证接触压力稳定。 能力提升第7题：【答案】转动方向相反。正确刮法（B端刮上半面）假设线圈在某半周通电驱动顺时针转；若B端改刮下半面，则电路通断相位反转：原来通电的半周变为断电，原来断电的半周变为通电，通电时电流方向反向（相对于线圈位置），导致受力方向相反，线圈逆时针转动。因此刮漆面的朝向直接决定了电动机的转动方向。 能力提升第8题：【答案】能量转化过程：电池的化学能→电能→通电线圈在磁场中转动，电能转化为机械能（动能）及少量的内能（线圈电阻、接触电阻发热）。提高效率的途径：使用强磁铁增大磁场，减小线圈电阻（如用粗一点漆包线），改善支架接触以降低接触电阻，或为转轴加润滑油减小摩擦。任意一条即可。 【课后巩固参考答案】 课后巩固第1题：【答案】(1)线圈不转。因为当线圈静止在平衡位置时，A、B两端引线都因重力下垂，与支架接触良好，电路接通，线圈中电流最大。但由于线圈两边受到的磁力等大反向且作用于同一直线上，力矩为零，无法突破静摩擦力启动。(2)缺半圈断电。一端全刮一端半刮，B端绝缘面接触支架时断电，可让线圈靠惯性转过平衡位置。若不加配重，可轻微调整转轴高度，使线圈重心略偏，通电时有一点初始扭矩即可自动启动。 课后巩固第2题：【答案】改进方案：将双股线拆成两股独立的线圈，每个线圈用一种刮漆方式，即一组线圈A方式（两端都全刮），另一组线圈B方式（一端全刮一端半刮）。将两组线圈固定在同一转轴上，平面相互垂直。这样，当其中一组处于力矩死区时，另一组正处在最大力矩位置，两组交替驱动，实现自启动和平稳转动。优点：无死区，启动可靠；缺点：结构变复杂，需精准固定两组线圈垂直。 课后巩固第3题：【答案】电磁力F=NBIL。已知N=25，B取钕磁铁表面约0.5T，I=U/R，R需估算。漆包线直径0.4mm，电阻率ρ=1.7×10⁻⁸ Ω·m，线圈单匝平均周长L₀=2×(4+3)=14cm=0.14m，总长L=25×0.14 + 2×0.03 (引线) ≈ 3.53m。导线横截面积S=π(d/2)²=3.14×(2×10⁻⁴)²=1.256×10⁻⁷ m²。线圈电阻R=ρL/S≈1.7×10⁻⁸×3.53 / 1.256×10⁻⁷ ≈ 0.478 Ω。考虑接触电阻，总电阻取0.7 Ω。则I=3/0.7≈4.29 A。单边有效长度L=0.04m，F=25×0.5×4.29×0.04≈2.15 N。所以单边长边受电磁力约2.15牛。力矩M=2F×(宽边的一半)=2×2.15×0.015=0.0645 N·m。此为最大磁力矩，实际输出会因换向而脉动。 【解析】计算中B取估计值，若使用普通铁氧体磁铁，B降至0.1T，则力与力矩同比减小。此处强调思路：先算电阻，再算电流，最后代入F=BIL。注意单位统一使用国际单位。 【模块七 课后巩固】 课后巩固第1题：在制作简易电动机时，一位同学误将线圈两端引线的绝缘漆全部刮去，并在转轴上滴了一滴502胶水用于平衡。通电后，他发现线圈有时能转，有时完全不动。请分析：(1)为什么线圈会"有时完全不动"？(2)从原理上看，这个"电动机"缺少了什么关键功能？如果要让它自启动且连续转动，在不改变刮漆方式的情况下，你能否设计一个加装配重的方案？（本题10分） 课后巩固第2题：小亮想制作一个双线圈并联的简易电动机，使力矩更大、转动更平稳。他设计了两种方案：方案一是将两个单线圈并排固定在同一转轴上，都用"一端全刮、一端半刮"的方式；方案二是用双股并绕线圈（两根漆包线并在一起绕制），引出四个头，其中两个头全刮、另两个头半刮。评价这两种方案的优缺点，并画出你认为最佳的接线示意图（用文字描述）。（本题8分） 课后巩固第3题：某物理兴趣小组用0.4mm漆包线绕制了一个25匝的矩形线圈（4cm×3cm），置于两块钕铁硼磁铁中间，B端刮半漆，接入3V电源，线圈稳定转动。请你估算单匝线圈长边所受的最大电磁力，并简要写出估算步骤（磁铁表面磁场可取0.5T，线圈电阻可查表或估算）。（本题10分） 【模块八 易错点分析与学法指导】 【易错点1】混淆"半刮漆"与"全刮漆"的通断逻辑。错误表现：认为两端各刮半漆且方向相同也能实现持续转动，实际上这会导致电路通断无规律，线圈抖动不转。正确做法：必须一端全刮，另一端只刮半面，形成确定的"半圈导通、半圈断开"循现。 【易错点2】线圈转轴不共线导致卡死或停车。错误表现：绕制线圈时引线歪斜，插入支架后，线圈重心偏离转轴，转动时晃动剧烈，与磁铁或底座摩擦，很快停转。正确做法：徒手整形时反复比对，保证两引线在同一直线上，并可用轻质配重（薄胶带）微调平衡。 【易错点3】误将磁铁的N、S极上下竖直放置。错误表现：有些学生以为磁极必须夹住线圈侧面，将磁铁竖放，导致磁感线方向与线圈平面法向平行，有效磁通量几乎为零，线圈不受力或受力极小。正确做法：磁铁平放在线圈正下方（或正上方），使磁感线垂直穿过线圈平面，这样线圈长边垂直切割磁感线，力矩最大。 【学法建议1】"慢就是快"——刮漆工序宁可多花五分钟，用放大镜观察确认刮漆面分界线清晰，一次性做好。许多制作失败都源于刮漆潦草。建议课前用一小段漆包线练习刮漆，感受砂纸力度和角度。 【学法建议2】建立"电动机故障树"分析习惯。拿到一个不转的电动机，不自乱阵脚，按"电路通断→平衡对中→磁场强弱→摩擦大小"的顺序逐级排查，像医生问诊一样，培养工程调试思维。 【学法建议3】跨学科视角：制作简易电动机不仅是巩固电磁知识，更是微缩的工程项目。建议课后观看新能源汽车电机生产线视频，思考"大批量生产中如何保证每个电机的动平衡？""绝缘处理用的是什么材料和工艺？"将物理原理与技术现实对接。 【知识网络图】本节向上承接"磁场对电流的作用""电动机"原理，向下可延伸至"发电机""交变电流"。从学科角度看，与化学（电池）、工程（结构设计）交叉。后续学习中，电动机的换向问题在交流电动机中演变为旋转磁场，但受力分析始终是力学的电磁应用。简易电动机这一实践，将抽象的电与磁转化为看得见摸得着的转动，是连通前后章节的枢纽。 学科网（北京）股份有限公司 $