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）

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辅导讲义学员姓名：                                        学科教师：年  级：高二                                      辅导科目：物理授课日期 时    间A/B/C/D/E/F 段主    题直流电动机学习目标知道直流电动机的原理会测定直流电动机的效率教学内容  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】次数123I/A   U/V   F/N   S/m   t/s   P入=UI/W   P出=FV/=/W       【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_________。输入电压U/V输出功率P/W额定电流I/A运行速度V/km·h-1366302020 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1C．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： 实验次数123456电动机的电流I/A0.20.40.60.82.52.5所提重物的重力Mg/N0.82.04.06.06.57.0重物上升时间t/s1.41.652.12.7∞∞     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、1000,905、（1）如右图（2）,（3）0，2.4Ω6、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。