初中物理人教版九年级全册第4节 电动机学案

这是一份初中物理人教版九年级全册第4节 电动机学案，共15页。学案主要包含了学习目标，学习重点，学习难点，自主预习，合作探究，分析论证，实验结论，精讲点拨等内容，欢迎下载使用。

1. 通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，知道力的方向与电流方向和磁场方向有关。
2. 了解直流电动机的构造和工作原理及其能量转化。
【学习重点】磁场对通电导线的作用。
【学习难点】直流电动机的构造和工作原理。
【自主预习】阅读教材，完成以下问题：
1. 磁场对通电导线的作用
通电导线在磁场中受到力的作用，力的方向跟磁场的方向和电流的方向有关。如果这两者其中之一的方向改变，则力的方向改变（改变/不变）；如果两者的方向同时改变，则力的方向不变（改变/不变）。
2. 电动机
（1）电动机的原理及构造：电动机由能够转动的转子和固定不动的定子组成。电动机是利用通电线圈在磁场中受力而转动的原理制成的。为了使电动机能持续转动，电动机上用到换向器，当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。
（2）电动机是把电能转化成机械能的机器。
【合作探究】
探究一、磁场对通电导线的作用
【想一想】我们知道，磁体在磁场中会受到力的作用，磁体间通过磁场相互作用。通电导线周围有磁场，那么通电导线是不是也会受到磁场的作用力呢？
1. 探究磁场对通电导线的作用
（1）提出问题：通电导线在磁场中是否受到力的作用？如果受到力的作用，力的方向与什么因素有关？
（2）猜想与假设：通电导线在磁场中受到力的作用，力的方向可能与磁场的方向、导体中电流的方向有关。
（3）设计并进行实验
①如图所示，把导线ab放在磁场里，接通电源，让电流通过导线ab，观察记录现象。
②在实验①中，去掉蹄形磁体，接通电源，观察记录现象。
③保持磁体N极、S极位置不变，把电源的正、负极对调后接入电路，使通过直导线ab的电流方向与原来相反，接通电源，观察记录现象。
④保持直导线ab中的电流方向与实验①中相同，把磁体的两个磁极对调，让磁感线方向与原来方向相反，接通电源，观察现象。
⑤在实验①中，同时改变直导线ab中的电流方向和磁感线方向，接通电源，观察现象。
【分析论证】
（1）分析实验①和②：在实验①中，闭合开关，导线ab向左运动。在实验②中，去掉蹄形磁体，接通电源，直导线ab不运动。说明通电导体在磁场中才会受到力的作用。
（2）分析实验①和③：只改变导线中的电流方向时，导线ab向右运动，与①运动方向相反。说明通电导体在磁场中受力的方向跟电流的方向有关。
（3）分析实验①和④：只改变磁感线方向，导线ab向右运动，与①运动方向相反。说明通电导体在磁场中受力的方向跟磁场的方向有关。
（4）分析实验①和⑤：同时改变导线ab中的电流方向和磁感线方向，导线受力的方向不变。
【实验结论】
通电导线在磁场中受到力的作用，力的方向跟电流的方向、磁场的方向都有关系。
2. 探究磁场对通电线圈的作用
【想一想】实验中的直导线运动一段距离就会离开磁场，很难持续地运动。如果把一个通电线圈放在磁场中，它又会怎样运动呢？
（1）设计并进行实验
①如图甲所示，把一个可以绕中心轴转动的矩形线圈放入磁场中并通电，其电流方向为a→b → c → d，观察线圈的转动情况。
【现象】线圈沿顺时针方向转过一定角度，但不能持续转动。
②如图乙所示，改变电流方向，其电流方向为d→c → b → a，观察线圈的转动情况。
【现象】线圈沿逆时针方向转过一定角度，但不能持续转动。
③如图丙所示，保持电流方向不变a→b → c → d，对调磁极（改变磁感线的方向），观察线圈的转动情况。
【现象】线圈沿逆时针方向转过一定角度，但不能持续转动。
（2）分析论证
分析实验①与②现象，磁场的方向不变，当电流的方向发生改变时，线圈的转动方向发生改变，但不能持续转动。
分析实验①与③现象，电流的方向不变，当改变磁场的方向时，线圈的转动方向发生改变，但不能持续转动。
（3）实验结论
①通电线圈在磁场中的转动方向跟电流的方向、磁场方向都有关系。
②通电线圈在磁场中会受力而转动，但不能持续转动（选填“能”或“不能”）。
3. 探究通电矩形线圈在磁场中不能连续转动的原因
（1）在如图甲所示位置时，通电线圈的两边在磁场中都受力，ab边受力方向竖直向上，cd边受力方向竖直向下，方向相反，发生顺时针转动（选填“顺时针”或“逆时针”）。
甲 乙
（2）当线圈的平面与磁场垂直时（图乙），通电线圈ab边与cd边受平衡力作用，达到平衡位置。这时由于惯性，线圈还会继续转动。
（3）如图丙所示，线圈靠惯性越过平衡位置后，ab边受力方向竖直向上，cd边受力方向竖直向下，方向相反，磁场力作用的结果使线圈又逆时针旋转（选填“顺时针”或“逆时针”）。
（4）通电线圈最后静止在平衡位置（图丁）。
丙 丁
4. 让线圈转起来——电动机模型
【想一想】通电线圈在磁场中可以转过一个角度，但不能持续转动。如何使线圈持续地转动？
如果在线圈越过平衡位置后停止对线圈供电，由于惯性，线圈继续转动。转动半周后再继续供电，线圈不就可以持续转下去了吗？
【实验】制作电动机模型
（1）实验器材：漆包线、小刀、干电池、圆形强磁铁、羊眼钉、硬底板、木块、导线等。
（2）制作线圈：将粗漆包线制成一个线圈，把一端的绝缘漆全部刮掉，另一端只刮半周。
（3）组装器材：如图所示，将线圈的两端放在羊眼钉上，在线圈的下方置于圆形强磁铁，然后接上电源，这样就制成了一个小小的电动机。通电后，看看线圈能否转动？
（4）小电动机的转动原理
实验中，将线圈一端的漆皮全部刮掉，另一端的漆皮只刮掉半周，线圈就能持续地转动起来。
【提问】把一端线圈的绝缘漆只刮掉半周的目的是什么？
【分析】将线圈一端的漆皮全部刮掉，另一端只刮掉半周，可以保证给线圈适时供电或停电。
这种设计，线圈每转一周，只有半周获得动力，在另半周线圈没有电流通过，线圈不受力，但由于惯性继续转动，当转过这半周后，又回到原来的状态，线圈又受到向同方向转动的力，线圈就可以持续转动下去。
【例题1】如图，闭合开关，铜棒向左运动，为使铜棒向右运动，下列操作不可行的是（ D ）
A．只对调电源的正、负极
B．只对调磁体的N、S极
C．导线①接A、C接线柱，导线②接B、D接线柱
D．同时对调电源正、负极和磁体N、S极
【解析】A．只对调电源的正、负极，电路中电流方向改变，则通电导体的受力方向改变，铜棒向右运动，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，铜棒向右运动，故B不符合题意；
C．导线①接A、C接线柱，导线②接B、D接线柱，改变了电路中电流的方向，则通电导体的受力方向改变，铜棒向右运动，故C不符合题意；
D．将电源正、负极对调，同时将磁体N、S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，铜棒仍然向左运动，故D符合题意。所以选D。
【例题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】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。
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BC符合题意，AD不符合题意。
故选BC。
探究二、电动机的基本构造
【想一想】前面的电动机模型中，能够持续转动，是因为在另半周线圈没有电流通过，线圈不受力，靠惯性继续转动。如果在线圈转动的后半周，不是停止给线圈供电，而是设法改变后半周的电流方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈不就能转得更平稳了吗？电动机就是根据这个原理工作的。
1. 电动机的组成
电动机由两部分组成：能够转动的线圈，也叫转子；固定不动的磁体，也叫定子；电动机工作时，转子在定子中飞快地转动。
2. 换向器
（1）线圈不能连续转动的原因
如图所示，使线圈位于磁体两磁极间的磁场中并静止在图中所示位置上，闭合开关，发现线圈并没有运动。这是由于线圈上下两个边受力大小一样、方向却相反。这个位置是线圈的平衡位置。线圈不能连续转动，是因为线圈越过了平衡位置以后，受到的力要阻碍它的转动。
（2）使线圈能连续转动的方法
如果在越过了平衡位置后停止对线圈供电，由于惯性，线圈不是就能连续转下去了吗？
前面我们用刮去引线漆皮的办法来控制电路的通断，即一端的漆皮全部刮掉，另一端的漆皮只刮上半周或下半周，从而保证给线圈适时供电或停电。这种设计，线圈每转一周，只有半周获得动力，在另半周线圈将要受到阻碍它转动的力时没有电流通过，线圈不受力；当线圈靠惯性转过这半周后，又回到原来的状态，线圈又受到向同方向转动的力，以保证线圈继续转动下去。
如果在线圈转动的后半周，不是停止给线圈供电，而是设法改变后半周电流的方向，使线圈在后半周也获得动力，线圈将会更平稳、更有力地转动下去。那么，如何使线圈在后半周也能获得向同方向转动的力呢？
（3）换向器
实际的电动机是通过换向器来实现这一目的的。
①换向器的构造：两个铜半环E和F跟线圈两端相连，可随线圈一起转动，两半环中间断开，彼此绝缘。A和B是电刷，它们分别跟两个半环接触，使电源和线圈组成闭合电路。
②换向器的作用：当线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。
如图所示，无论线圈的哪个边，只要它处于靠近磁体S极的一侧，其中的电流都是从读者这边朝纸内的方向流去，这时它的受力方向总是相同的（向上），线圈就可以不停地转动下去了。
3. 直流电动机的工作原理
（1）如图甲所示，通电线圈在磁场中，ab、cd两边电流方向相反，受力方向相反，顺时针转动。
甲 乙
（2）如图乙所示，线圈转到平衡位置，电刷接触到换向器中间绝缘部分，不受力，利用惯性线圈转过平衡位置。
（3）如图丙所示，线圈越过平衡位置后，利用换向器改变了电流方向，线圈受力方向改变，仍然顺时针转动。
（4）如图丁所示，线圈利用惯性转过平衡位置后，又改变了电流的方向和受力方向，会继续转动。
丙 丁
4. 实际的电动机
（1）实际的电动机有多个线圈，每个线圈都接在一对换向片上，以保证每个线圈在转动过程中受力的方向都能使它朝同一方向转动。
（2）电动机工作时，把电能转化为机械能。
（3）家用电器用到的电动机。例如，电吹风、电风扇、洗衣机、空调等都用到了电动机。
【例题3】如图的线圈abcd位于磁场中，ab和cd的受力方向______，（相同/不同）理由是：________，此时线圈_____（在/不在）平衡位置。
【答案】不同；ab和cd中电流的方向不同；不在.
【解析】通电导体在磁场中受力方向与磁感线方向和电流方向有关，根据图示信息，电流从电源的正极出发回到负极，则线圈中ab段的电流方向与cd段的电流方向恰好相反，所以它们的受力方向也不同。此时线圈的两个边受力方向相反，所以线圈会发生转动，即线圈不在平衡位置。
【例题4】研究磁场对电流有力的作用。
（1）利用如图甲所示的装置研究“磁场对电流的作用”时，应在 “a”、“b”之间接入________，根据该原理可制成________；
（2）若要继续研究导体受力的大小与电流大小的关系，可在上述电路中再串联一个___________，改变电流大小后，根据____________可初步判断受力的大小是否发生改变；
（3）乙、丙两个图中，_______图的线圈恰好处于平衡位置；
【答案】（1）电源，电动机；（2）滑动变阻器，导体棒摆动的幅度；（3）丙；（4）换向器，刚转过.
【解析】1）因为通电导体在磁场中受力会运动，观察图可知缺少一个电源，应在“a”、“b”之间接入电源，根据此原理制成了电动机。
（2）要研究导体受力的大小与电流大小的关系，可在上述电路中再串联一个滑动变阻器；根据导体棒偏动幅度可初步判断受力的大小是否改变。
（3）当通电线圈所在平面与磁感线垂直时，线圈处于平衡状态，此时线圈受力平衡，所以图丙的线圈恰好处于平衡位置，另一个图中线圈左右两边所受力不满足二力平衡条件中的不在同一直线上。
（4）丁图中加装了换向器，所以线圈可以持续转动，它能在线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。
探究三、扬声器是怎么发声的
【提问】学校的操场上挂着扬声器（喇叭），收音机、电视机、音响中都有扬声器，每天我们都能听到扬声器发出的悠扬声音。扬声器是怎样发出声音的呢？
1. 作用：它是把电信号转变为声音信号的装置。
2. 结构：线圈、永久磁体、锥形纸盆。
3. 原理：扬声器的线圈中通入携带声音信息、时刻变化的电流，由于线圈中的电流方向是不断的变化，线圈就不断的来回振动，带动纸盆也不断地来回振动，于是扬声器就发出了声音。

【例题5】如图所示是扬声器的结构图。当扬声器的线圈中通入因携带声音信息而时刻变化的电流时，线圈会在永久磁体的作用下受到力的作用并带动纸盆振动发声。下列说法中错误的是（ ）
A．扬声器工作时是将电能转化为机械能
B．扬声器的工作原理是通电线圈在磁场中受力运动
C．扬声器中的永久磁体周围存在磁场
D．扬声器工作时线圈中的电流不变
【答案】D.
【解析】AB．扬声器工作时，通电线圈在磁场中受到力的作用运动，将电能转化为机械能，故AB项正确；
C．扬声器中的永久磁体周围也存在磁场，故C项正确；
D．扬声器的线圈中通入声音信息而时刻变化的电流，故D项错误。
所以选D。
【精讲点拨】
1. 通电导体在磁场中受力方向的变化情况可为以下三类：
（1）只有电流方向与原来相反，受力方向与原来相反；
（2）只有磁场方向与原来相反，受力方向与原来相反；
（3）电流方向和磁场方向都与原来相反，则受力方向与原来相同。即“两反则不变”。
2. 区别“通电导体受磁场力的方向”、“通电导体受磁场力的大小” 的影响因素：
（1）磁场对通电导体力的方向取决于：磁场方向和电流的方向；
（2）磁场对通电导体力的大小取决于：磁场强弱和电流的大小。
3. 电动机中换向器的作用：当线圈转过平衡位置时，自动改变线圈中的电流方向。
【归纳整理】
第4节 电动机
【课堂练习】
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。
【详解】ABC. 铜棒受力的运动方向与电流的方向和磁场的方向有关，与电阻及电流的大小无关，所以AC错误．不符合题意，B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. 如图所示，两根绝缘细线悬挂着的导体，放在U形磁铁中央， 两端连接着导线。若要探究电动机的工作原理，虚线方框中接入的实验器材是（ ）

A．电源 B．电压表 C．灵敏电流计 D．滑动变阻器
【答案】A。
【详解】电动机是根据通电导体在磁场中会受到力的作用原理制成的，在虚线框中接入电源时，通电导体在磁场中会受到力的作用，可以探究磁场对电流的作用，与电动机的原理相同。
所以选A.
3. 如图所示是扬声器（喇叭）的结构图。当扬声器的线圈中通入携带声音信息的时刻变化的电流时，线圈会在永久磁体的作用下带动锥形纸盆振动发声。下列说法中正确的是（ ）
A．扬声器工作时是将机械能转化为电能
B．扬声器工作时线圈中不会有电流
C．扬声器中的永久磁体不会对线圈有作用力
D．扬声器的工作原理是通电线圈在磁场中受力运动
【答案】D。
【详解】A．扬声器工作过程中消耗电能，把电能转化为机械能，故A错误；
B．动圈式扬声器工作时线圈会有地电流，故B错误；
C．扬声器中的永久磁体会对线圈有作用力，故C错误；
D．扬声器的工作原理是磁场对电流有力的作用，故D正确。
所以选D.
4. 如图所示，在“探究磁场对通电直导线的作用”实验中，小明把一根轻质的铝棒EF置于蹄形磁体的磁场中。
（1）接通电源，通过观察___________来判断磁场对通电直导线有力的作用；
（2）若只将磁体的两极对调，接通电源，观察到铝棒EF会向相反方向运动，说明力的方向与__________有关；
（3）小明想探究“通电直导线在磁场中受力大小是否与电流大小有关”，请你帮助他写出具体的操作：___________；
【答案】（1）导体EF摆动；（2）磁场方向；（3）调节滑动变阻器的位置，改变电路中电流大小，观察导体EF摆动幅度大小。
【详解】（1）如图，当闭合开关接通电源后，我们能够观察到轻质的铝棒EF从原来的静止变为摆动，根据这个现象就可以判断磁场对通电直导线有力的作用。
（2）实验中只将磁体的两极对调，即是磁场的方向变了，接通电源后，能够观察到铝棒EF会向相反方向摆动，这说明导体受力的方向与磁场方向有关。
（3）小明想探究“通电直导线在磁场中受力大小是否与电流大小有关”，只需要调节滑动变阻器的位置，改变电路中电流大小，观察导体EF摆钟幅度大小即可。
5. 学习了电和磁的知识后，小明将强磁体靠近接在家庭电路中正在发光的白炽灯的灯丝，观察到灯丝来回晃动，经过分析，他认为灯丝动起来的原因是_________；同时，由于通电灯丝的电流是交流电，电流的_____周期性改变，最终使得灯丝来回晃动。

【答案】灯丝受到磁场力的作用，方向。
【详解】正在发光的白炽灯的灯丝中有电流经过，将强磁体靠近灯丝，由于通电导体在磁场中受到力的作用，所以灯丝受到磁场力的作用，来回晃动。
交流电是交变电流的简称，是指电流方向不是固定一个方向，而是会周期性的改变，由于灯丝中的电流方向会周期性改变，所以灯丝受到磁场力的方向也会周期性改变，故灯丝会来回晃动。
6. 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】（1）力；（2）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；（3）通电导体棒ab在磁场中受力的方向与磁场方向有关；（4）B。
【详解】（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）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）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）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。
7. 在研究“磁场对通电导体的作用”实验中：
（1）利用如图甲所示的装置研究“磁场对电流的作用”时，应在a、b之间接入_______（选填“灵敏电流计”或“电源”）；
（2）在乙图中，通电后cd段导线受磁场力F1的方向为竖直向下，此时，ab段导线所受磁场力F2的方向是竖直向____（选填“上”或“下”）；
（3）要使图乙中的线圈持续转动，应在其外部加装换向器，自动改变线圈中的______方向。图乙中的设备将电能转化为_________。
【答案】（1）电源；（2）上；（3）电流，机械能。
【详解】（1）研究“磁场对电流的作用"时，即必须有电源，使得导体中先有电流，所以在a、b间应接电源。
（2）乙图中，ab段导线的电流方向与cd段导线的电流方向相反，所以ab段导线所受磁场力F2的方向与cd段导线受磁场力F1的方向相反，所以磁场力F2的方向是竖直向上的。
（3）要使图乙中的线圈可以持续转动，是在外部加装了换向器，当通电线圈所在平面与磁感线垂直时，它能自动改变线圈中的电流方向，从而使线圈持续转动，线圈转动的过程中，电能转化为机械能。
8. 当开关闭合后，cd段所受到的磁场力的方向如图1所示。请画出图2和图3两种情况中ab段所受到的磁场力的方向。
【答案】见下图。
【详解】通电导线在磁场中的受力方向与磁场方向和电流方向有关，当磁场方向或电流方向改变时，通电导线在磁场中的受力方向也会改变。图2和图1相比，磁场方向与电流方向都改变，ab受力方向不变；图3与图1相比，电流方向与磁场方向都没变，受力方向不变。据此作图如下：
【课后反思】
本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？