2021年上海市高二第一学期物理培优讲义第14讲-直流电动机 （教案）

直流电动机有什么样的构造，又是怎样工作的呢？

【知识梳理-简单直流电动机构造和工作原理】

简单的直流电动机内有可绕轴转动的软铁芯（转子），铁芯上绕有匝数较多的线圈，线圈的两端分别接在两个半圆形金属换向器上；压在换向器上是一对电刷，通过引出线可与电源连接，整个线圈置于两个永磁体产生的磁场中，永磁体作为电动机的定子。

一、直流电动机的构造

（1）-------磁铁

（2）-------线圈

电动机是怎样工作的？

作用在电动机线圈上的力使电动机转子发生转动。

电动机是一种将电能转化为机械能的装置。

思考：换向器的作用是什么？

电动机是否会停在某处不再转动？

直流电动机的构造：

（1）    定子                 -------磁铁

（2）    转子     -------线圈

（3）    换向器   

          作用：改变电流方向，从而改变安培力的方向，

          保证线圈朝一个方向持续转动。

（4）     电刷    

【例题精讲-简单直流电动机构造和工作原理】

例1、作用在电动机线圈上的_________使电动机转子转动，通过换向器改变_________而使线圈始终受到_________，线圈就不停地向前转动。

【解析】略

【答案】安培力；电流方向；同一方向的力

例2、如图所示，处在匀强磁场中的通电举行线圈平面跟磁感线平行，线圈在磁场力的作用下从静止开始转动，已知线圈中电流强度大小不变。不计摩擦等机械损耗，则下列说法正确的是（　　）

A、在线圈转过90°的过程中垂直纸面的每条边受的磁场力逐渐减小

B、在线圈转过90°的过程中垂直纸面的每条边受磁场力大小不变

C、线圈将朝一个方向一直转动下去

D、线圈从图示位置朝一个方向每转过180°就倒转

【答案】BD

【解析】线圈转动过程中I与B始终垂直，故F大小不变；但转过1800角，左右导线中电流方向互换，故线圈会倒转。

【巩固测试-简单直流电动机构造和工作原理】

1、电动机是一种将_________能转化为_________能的装置。电动机在通电转动时由于线圈具有一定的_________，电流通过时会发热，还有一些其他能量损耗，但电动机属于能量转化效率较高的一种机械。

【答案】电，机械，电阻

2、电动机通常由_________和_________两部分组成，直流电动机是把永磁体作为它的_________，可绕轴转动的软铁芯作为_________。电动机的工作原理是：作用在电动机线圈上的_________力使电动机转子产生转动作用。

【答案】定子，转子，定子，转子，安培力

3、在“测定直流电动机效率”的实验中，我们要对直流电动机内部构造有所了解，这为我们对实验的原理和做实验时分析数据都有帮助，图为直流电动机的示意图，当它接通不计内阻的直流电源后，从上而下看去，转子做顺时针方向转动．电源的极性为(    )

A．A正B负              B．B正A负             C．无法判断

【答案】A

【知识梳理-电动机的效率】

电动机是把电能转变为机械能的装置。在能量转换过程中有能量损失，这就涉及到电动机效率问题了。

1、什么是电动机的效率？

电动机的输入电功率为，输出机械功率为，电动机的效率

思考：直流电动机效率能否达100%？为什么？

2、测定电动机的效率：

【实验目的】

测定在一定电压下工作的直流电动机的效率

【实验原理】

直流电动机的效率（重物匀速上升时）

【实验器材】

直流电动机(带长轴，额定电压4.5 V)、电源、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、盛砝码的小盘（质量已知）、停表、刻度尺、砝码若干、细绳一根、导线。

【实验步骤】

1．将电动机与电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关接成实验电路。

2．将盛砝码的小盘用细绳系住，细绳上端绕在电动机长轴上，调节盘中的砝码数使小盘上升的运动为匀速运动，记下小盘与盘中砝码的总质量。

    3．接通开关，测出小盘上升所用时间及上升高度，并记下电流、电压表的示数。

4．计算电动机的效率。

【实验数据处理】

【实验注意事项】

    1．电压不能过小，一艘在额定电压附近；

    2．砝码盘不能过重，导致卡转；

    3．小盘上升要匀速；

  4．由于存在摩擦，mgh小于.

【例题精讲-电动机的效率】

例1、要测定一台直流电动机的效率。给你直流电动机（带长轴，额定电压4.5V）、电源、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、砝码盘（已知质量）、砝码若干、停表、刻度尺、细绳一根、导线若干。

（1）请画出实验电路图。

（2）本实验要测定的物理量是F及    、   、   、   。

（3）如果某同学根据测得的数据计算出P出＝0.18w；P入＝0.21W。则可计算出该直流电动机的效率η＝   。

（4）如果要比较准确地得到该直流电动机的效率可采取的方法是：            。

（5）根据实验可得到直流电动机的效率总是：    1。（选填“＜”、或“＞”、或“＝”）

（6）如果有一台电动机的效率是85%，请分析它的能量转换情况：                                 。

【解析】从能量转化入手分析

【答案】（1）（2）S、t、I、U  （3）80%  （4）多次测量求平均值。

（5）＜（6）电能的 85%转化为机械能、15%转换为内能等 其它形式的能。

例2、车用微型吸尘器的直流电动机M的电阻一定，当加在M上的电压为0.3伏时，电流为0.3安，且M不转动；当加在M上的电压为2.0伏时，电流为0.6安，且M能正常转动，则此吸尘器的效率为（不计摩擦） (    )

A.91.8%    B.30%    C.70%    D.100%

【解析】电动机不转动时是纯电阻电路，可以得出电动机内电阻；进一步可以得出放热功率。

【答案】C

【巩固测试-电动机的效率】

1. 如图所示电路是利用DIS实验来测定电动机的效率，试完成下列问题。

（1）请在图中方框内分别正确填入电压传感器、电流传感器和数据采集器；

（2）当电动机以0.4m/s匀速卷起一个质量为0.5kg的物体B时，从计算机上读出U=2.8v，I=1A，则电动机的输入功率为        w，电动机的效率为      。

【答案】数据采集器、电流传感器、电压传感器（从上往下依次）；2.8；71%

2. 在“测定直流电动机的效率”的实验中，实验器材如下：直流电动机(带长轴，额定电压4.5 V)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、盛砝码的小盘（质量己知）、砝码若千、停表、刻度尺、细绳一根、天平、导线若干等，实验步骤如下：

①按实验原理图将所需电路元件连接成实验电路；

②将盛砝码的小盘用细绳系住，细绳上端绕在电动机长轴上，记下小盘与盘中砝码的总质量；

③接通开关，测出小盘上升所用时间及上升高度，并记下电流、电压表的示数；

④计算电动机的效率（至少测量三次）．

(1)上述步骤中有一个重要步骤的遗漏，请写出：_________________________________________

(2)以上实验器材中多余的一个是______________________，缺少的一个是________________

【答案】（1）调节盘中的发码数使小盘上升的运动为匀速运动；（2）天平，电源

1、电动机的效率等于电动机输出的_________功率和输入的_________功率之比。用公式可以写成_________。

2、下表为一种安装在电动助动车上的主要技术参数。则电动机在额定状态下运转，其效率为_________，若不计机械传动的损耗，在上述情况下，电动助动车获得的牵引力大小为_________。

3、右图所示是利用DIS测定电动机效率的电路，试完成下列问题：

（1）在实验中，通过B、C测得的物理量的数值分别是X、Y，电动机的内阻为r，则此时电动机的输入功率的表达式P入=__________；

（2）在实验中，电动机的转动使质量为m的物体在t时间内匀速上升了h高度，则电动机的效率η=___________。（重力加速度为g）

4、如图所示是利用DIS测定电动机效率的电路，试完成下列问题：

(1)图中方框A、B、C分别为：A_____，B_____，C_____（选填“电压传感器”“电流传感器”和“数据采集器”）；

(2)在实验中，通过B、C测得的物理量的数值分别是X、y，电动机的内阻为r，则此时电动机的输入功率的表达式P入=________________________;

(3)在实验中，电动机的转动使质量为m的物体在t时间内匀速上升了h高度，则电动机的效率=________________(重力加速度为g）

5、某学生小组使用DIS做“测定电动机效率”实验，实验装置如图所示。

(1)用电流传感器和电压传感器（图中电流表和电压表）测量的是电动机（选填“输入”或“输出”）电流电压值。

(2)如图所示是用位移侍感器测定重物匀速上升时的位移一时间图线，同时电流传感器和电压传感器的读数基本不变，约为0.14 A和3.3 V，已知重物质量为0.05kg（g=9.8m/s2）。则在2.4～2.8 s时间段，重物克服重力做功的功率为______________W；该电动机的工作效率约为         。

【答案】

1、  机械，电，     2、87.5%，113.4N      3、（1）  ； （2）

4、（1数据采集器，电压传感器 电流传感器 （2）UI  （3）mgh/UIt  

5、(1)输入  （2）0.22  47.35%

我的总结重在让学生进行总结与回顾，老师适当引导。

主要是对本次课所学知识点进行巩固练习

1．下列关于电动机效率的说法中正确的是（　　）

A．电动机的效率最大可以达到100%

B．电动机的效率总小于1

C．电动机的效率随转速的增大而减小

D．电动机的效率小于1时能量转化过程不守恒

2．下列关于直流电动机的说法中错误的是（　　）

A．直流电动机是磁场力使转子转动的

B．直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置

C．直流电动机的换向器的作用是不断改变磁场的方向

D．直流电动机是以永磁体作为定子的

3．如图所示为直流电动机的示意图，当它接通电源后，从上往下看去，转子作顺时针方向旋转，则A为电源_________极，B为电源_________极。

4．电动助动车具有机构简单、环保的优点，目前在上海普及率很高。上图商标为一种安装在电动助动车上的电动机的主要技术数据。由这些数据可求得电动机在额定工作状态下的功率为_________W，在额定状态下匀速行驶时可以获得的牵引力为_________N。

（5、6、7、8、9题选学物理可选做）

5．在“测定直流电动机的效率”实验中，用如图（a）所示的电路测定一个额定电压为6V、额定功率为3W的直流电动机的机械效率。

（1）请根据图（a）完成图（b）中的实物图；

（2）实验中保持电动机两端电压U恒为6V，重物每次匀速上升的高度h均为1.5m，所测物理量及测量结果如下表所示：

计算电动机效率η的表达式为______________（用题目中的符号表示），前4次实验中电动机工作效率的平均值为_______________。

（3）在第5次实验中，电动机的输出功率是___________；可估算出电动机线圈的电阻为_______________Ω。

6．一台小型电动机在3 V电压下工作，用此电动机提升所受重力为4 N的物体时，通过它的电流是0.2 A。在30 s内可使该物体被匀速提升3 m。若不计除电动机线圈生热之外的能量损失，求：

(1)电动机的输入功率；

(2)在提升重物的30 s内，电动机线圈所产生的热量；

(3)线圈的电阻。

7．利用电动机通过如图所示的电路提升重物，  已知电源电动势E＝6 V，电源内阻r＝1 Ω，电阻R＝3 Ω，重物质量m＝0.10 kg，当将重物固定时，电压表的示数为5 V，当重物不固定，且电动机最后以稳定的速度匀速提升重物时，电压表的示数为5.5 V，求重物匀速上升时的速度大小(不计摩擦，g取10 m/s2)．

8．在图所示电路中，电源电动势E＝6 V，内阻r＝1 Ω.D为直流电动机，其电枢线圈电阻R＝2 Ω，限流电阻R′＝3 Ω.当电动机正常工作时，电压表示数为0.3 V．求：

(1)通过电动机的电流是多大？

(2)电动机输入的电功率、转变为热量的功率和输出机械功率各是多少？

9．如图所示，电源电动势为E＝30 V，内阻为r＝1 Ω，电灯上标有“6 V，12 W”字样，直流电动机线圈电阻R＝2 Ω.若电灯恰能正常发光，求电动机输出的机械功率．

【答案】1、B     2、C     3、正，负   4、1000,90

5、（1）如右图

（2）,

（3）0，2.4Ω

6、解析：(1)电动机的输入功率。

(2)电动机提升重物的机械功率。

根据能量关系，得生热的功率。

所生热量.

(3)根据焦耳定律，得线圈电阻.

7、解析：设电动机内阻为r′当将重物固定时

，,当重物不固定时

，

所以重物的功率，解得v＝1.5 m/s答案：1.5 m/s。

8、解析：(1)通过电动机的电流I与流过限流电阻R′的电流相同，由,得：.

(2)由 ,可得电动机两端电压

所以电动机输入的电功率.电动机的发热功率.

电动机的输出功率.答案：(1)0.1 A　(2)0.56 W　0.02 W　0.54 W

9、解析：由电灯恰能正常发光知：.

则电动机两端电压.所以电动机的输出功率.答案：36 W

主要对下次课的内容进行预习

1、复习全章知识。

2、前面讨论了电流的磁场、和磁场对电流的作用，那么我们能否利用磁场获得电流呢？怎样做呢？请带着这两个问题预习下一章——电磁感应。