资源简介

(共28张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：20.5 跨学科实践_制作简易直流电动机
副标题：动手实践 原理验证 创新拓展
幻灯片 2：实践背景与目标
背景意义：简易直流电动机的制作是将电磁学理论转化为实践的经典项目，融合物理学（电磁力）、工程学（结构设计）、材料学（导体与磁体特性）等多学科知识，帮助理解电动机的核心工作原理。
核心目标：
通过动手制作，掌握简易直流电动机的构造和组装方法。
验证磁场对通电导体的作用力，理解电动机转动的根本原因。
探究影响电动机转动效果的因素，培养实验探究和问题解决能力。
体验从理论到实践的转化过程，激发科技创新兴趣。
幻灯片 3：制作原理回顾
核心原理：基于 “通电线圈在磁场中受力转动”，利用永磁体提供磁场，通过电刷与换向器（或简易替代结构）引入电流，使线圈在磁场中持续转动。
关键要素：
磁场：由永磁体（如强磁铁）提供，形成稳定的磁场环境。
电流：通过导线将电源电流引入线圈，使线圈成为通电导体。
受力转动：通电线圈在磁场中受到安培力作用，产生转动扭矩。
换向结构：通过简易换向装置（如刮漆处理的线圈端点）改变电流方向，保证线圈持续转动。
幻灯片 4：材料准备与工具清单
核心材料：
线圈：漆包线（直径 0.5~1mm，长度约 50cm，用于制作转子线圈）。
磁场：强磁铁 2 块（如钕铁硼磁铁，提供强磁场）。
支架：金属支架 2 个（或回形针弯折制成，用于支撑线圈转动）。
电源：1.5V~3V 电池（或电池盒）、导线若干。
换向辅助：砂纸（用于刮除漆包线绝缘漆，实现简易换向）。
工具：
剪刀、尖嘴钳（用于弯折漆包线和支架）。
圆规或圆柱形物体（直径约 5mm，用于绕制线圈）。
胶带、夹子（用于固定支架和电源）。
幻灯片 5：制作步骤详解（一）—— 线圈制作与换向处理
步骤 1：绕制线圈
用圆规或圆柱形物体作为模具，将漆包线紧密绕制 5~10 圈（线圈直径约 1cm）。
绕制完成后，用多余漆包线在线圈两端各留出约 10cm 引线，并用尖嘴钳固定线圈形状，避免松散。
步骤 2：处理引线（关键换向操作）
线圈两端的引线作为转动轴，需用砂纸去除绝缘漆：
一端引线：完全刮除绝缘漆（360° 全刮），确保导电良好。
另一端引线：仅刮除半圈绝缘漆（180° 刮漆），作为简易换向器（当线圈转动时，半圈导电、半圈断电，模拟电流方向改变）。
用尖嘴钳将引线弯折成直角，使线圈能架在支架上自由转动。
幻灯片 6：制作步骤详解（二）—— 支架搭建与组装
步骤 3：制作支架
取 2 个回形针，用尖嘴钳弯折成 “∩” 形支架，底部固定在底座（如硬纸板或木板）上，确保两个支架高度一致、间距与线圈长度匹配。
支架顶端弯折成小弯钩，用于支撑线圈的引线轴，保证线圈能灵活转动。
步骤 4：安装磁场与电源
将 2 块强磁铁固定在底座上，位于线圈正下方，磁极相对（如 N 极在上、S 极在下），形成垂直于线圈平面的磁场。
用导线将电池正负极分别连接到两个支架上（支架作为电刷，通过引线轴为线圈供电）。
幻灯片 7：组装与调试技巧
组装流程：
将线圈两端的引线轴架在支架的弯钩上，检查线圈是否能自由转动（无卡顿、无倾斜）。
调整磁铁位置，使线圈处于磁场中心区域（磁场最强处）。
连接电源，观察线圈是否转动；若不转动，进行如下调试。
常见问题与调试方法：
问题 1：线圈不转动
原因：引线接触不良（漆未刮净）、磁场太弱、线圈重心偏移。
解决：重新刮净引线漆、更换强磁铁、调整线圈形状使重心居中。
问题 2：线圈转动缓慢或卡顿
原因：支架与引线摩擦过大、电源电压不足。
解决：调整支架弯钩光滑度、增加电池电压（如用 2 节 1.5V 电池串联）。
问题 3：线圈转动方向不稳定
原因：半圈刮漆不均匀、磁场方向未垂直线圈。
解决：重新处理引线刮漆、调整磁铁摆放方向。
幻灯片 8：原理分析与现象解释
转动过程解析：
通电阶段：当线圈引线刮漆部分与支架接触时，电流通过线圈，线圈成为通电导体，在磁场中受到安培力作用，产生转动趋势。
惯性转动阶段：当线圈转动至未刮漆部分与支架接触时，电路断开，线圈无电流通过，但由于惯性继续转动。
换向持续阶段：线圈转过半圈后，刮漆部分再次接触支架，电流重新通入，此时线圈受力方向与转动方向一致，推动线圈持续转动（简易换向原理）。
能量转化：电池提供的电能转化为线圈的机械能，同时部分转化为内能（线圈电阻发热）。
幻灯片 9：探究影响转动效果的因素
实验探究设计：
变量 1：线圈匝数
操作：制作匝数不同的线圈（5 匝、10 匝、15 匝），保持其他条件不变。
现象：匝数越多，转动越稳定（受力更大），但匝数过多可能因重量增加导致转动变慢。
变量 2：电源电压
操作：分别用 1.5V、3V、4.5V 电源供电，观察转动速度。
现象：电压越高（电流越大），转动速度越快。
变量 3：磁场强弱
操作：更换不同磁性的磁铁（普通磁铁、强磁铁），对比转动效果。
现象：磁场越强，转动扭矩越大，转动更稳定。
变量 4：线圈形状
操作：改变线圈直径或匝数疏密，观察转动平稳性。
现象：线圈形状对称、重心居中时，转动更平稳。
幻灯片 10：创新改进与拓展实践
结构改进：
用铜片制作简易换向器（替代半圈刮漆），提高电流接触稳定性。
加装轴承（如用吸管作为轴套），减小支架与引线的摩擦。
功能拓展：
制作电动机驱动的小风扇：在线圈轴上安装轻质扇叶，实现风力输出。
组装电动机小车：将电动机与车轮连接，通过齿轮或皮带传动驱动小车前进。
跨学科应用：
结合数学：计算线圈转动的周期、转速与电压的关系。
结合工程：优化结构设计，提高电动机效率（如减轻线圈重量）。
幻灯片 11：实践成果展示与评价标准
成果要求：
成功制作能持续转动的简易直流电动机，转动时间不少于 30 秒。
提交制作过程记录（照片或视频），标注关键步骤和调试细节。
完成探究报告，分析影响转动效果的因素及实验结论。
评价标准：
科学性：原理理解正确，能解释转动机制和换向原理。
操作性：制作步骤规范，调试方法合理，解决问题能力强。
创新性：在结构或探究方法上有改进，体现创新思维。
报告完整性：实验记录清晰，数据分析合理，结论明确。
幻灯片 12：安全注意事项
材料安全：
强磁铁易吸附铁制品，避免与手表、银行卡等靠近（防止消磁）。
漆包线两端锋利，处理时避免划伤手指，使用尖嘴钳辅助操作。
用电安全：
电源电压不超过 6V，避免短路（线圈直接连接电源正负极）。
实验结束后及时断开电源，防止电池耗电或线圈过热。
操作规范：
支架固定牢固，避免转动时线圈脱落或磁铁移位。
多人合作时注意分工，避免争抢工具导致意外。
幻灯片 13：实践总结与知识梳理
核心收获：
亲手验证了 “通电线圈在磁场中受力转动” 的原理，理解了电动机的基本构造。
掌握了通过控制变量法探究物理规律的方法，培养了实验设计能力。
体会了简易装置对复杂原理的模拟作用，认识到创新设计的重要性。
知识关联：
与课堂知识：串联 “磁场对通电导体的作用”“换向器功能”“能量转化” 等知识点。
与实际应用：理解工业电动机的结构优化（如换向器、轴承设计）的必要性。
幻灯片 14：实践作业与反思
作业要求：
撰写实践报告，包括制作步骤、调试过程、原理分析和探究结论。
绘制简易直流电动机的结构示意图，标注各部分名称和作用。
提出至少 2 项改进方案，说明改进思路和预期效果。
反思问题：
你的电动机在制作过程中遇到的最大困难是什么？如何解决的？
简易电动机与工业电动机在结构和性能上有哪些差异？为什么？
通过本次实践，你对 “电生磁”“磁生力” 的联系有了哪些新的认识？
幻灯片 15：拓展阅读与资源推荐
科普资源：
视频：《电动机工作原理动画演示》《自制直流电动机教程》。
书籍：《电磁学趣味实验》《青少年科技创新实践指南》。
科技应用：
了解电动汽车驱动电机的结构特点，对比简易电动机的异同。
探索磁悬浮电动机的工作原理，思考如何将其与本次制作结合。
2024人教版物理九年级全册
20.5跨学科实践_制作简易直流电动机
第二十章 电与磁
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
知识点1　项目提出
知识全解
生活场景：
玩具总动员：遥控赛车、轨道火车
生活小帮手：电动牙刷、USB小风扇
未来科技：无人机螺旋桨、智能机器人关节
这些装置为什么会自己动起来？它们的“心脏”藏在哪里？
生活观察：直流电动机无处不在
知识点1　项目提出
知识全解
现象聚焦：电动机的“卡顿”问题
回忆旧知：通电线圈在磁场中受力转动
普通线圈转动半圈后反向受力→无法持续转动
复杂换向器制作困难
挑战任务：
"能否用初中实验室材料，设计简易‘换向装置’让线圈转不停？"
知识点2　项目分析
知识全解
破解电动机持续转动的四大关键
① 线圈材料选择
使用漆包线
绝缘性：避免线圈匝间短路
可操控性：刮漆部位精准控制电流通断
漆包线粗细选择：
粗漆包线：机械强度高，转动更稳定
细漆包线：电阻大易发热，适合微型电机
知识点2　项目分析
知识全解
② 磁体与支架设计
强磁体必要性：
产生强磁场 → 增大线圈受力
固定为定子：简化结构，降低制作难度
支架材料要求：
重金属丝：导电性+支撑稳定性
避免使用铁质支架：防止磁干扰
破解电动机持续转动的四大关键
知识点2　项目分析
知识全解
③ 转子的运动控制
线圈作为转子：
矩形设计（3cm×2cm）：增大受力臂，提高转矩
匝数选择（5-10匝）：
匝数过少 → 磁场力不足
匝数过多 → 重量增加导致惯性不足
破解电动机持续转动的四大关键
知识点2　项目分析
知识全解
④换向功能的替代方案
刮漆法实现半周通电 ：
左端全刮：确保与支架始终导电 → 电流输入
右端半周刮：
上半周接触 → 通电受力转动
下半周断开 → 靠惯性通过
破解电动机持续转动的四大关键
知识点2　项目分析（常见问题库）
知识全解
现象 可能原因 解决方案
线圈不转动 刮漆不彻底（绝缘漆残留）
磁极方向与线圈平面垂直 重新刮漆至铜线裸露
调整磁体N、S极方向
转动不连续 惯性不足（线圈过重/匝数过多）
支架摩擦过大 减少线圈匝数至5-8匝
涂抹润滑油
转速过慢 电池电压不足
磁体磁性减弱 更换新电池（1.5V→3V）
叠加多个磁体增强磁场
知识点3 项目实施
知识全解
四步打造你的专属电动机！
步骤1：绕制线圈——制作核心转子
视觉化操作指南 ：
选材裁剪：
取直径约0.5mm的粗漆包线，剪取长度约30cm
工具：直尺标记3cm×2cm区域，硬纸板辅助定型
绕线技巧：
沿3cm边绕5-10匝，保持匝间紧密无重叠
匝数建议：选5匝
转轴预留：两端各留2cm直导线作为转轴
知识点3 项目实施
知识全解
步骤2：刮漆处理——破解换向密码
左端：
用刀片彻底刮净绝缘漆，露出铜色金属光泽
右端：
仅刮除半周（180°）绝缘漆
方法：转轴平放桌面，刮朝上一侧的半周
验证：用万用表检测刮漆区导电性
安全警示 ：
"刮漆时刀片向外推，戴防护手套！"
四步打造你的专属电动机！
知识点3 项目实施
知识全解
步骤3：组装支架——搭建导电桥梁
1. 支架制作：
材料：直径1mm以上铜丝或铁夹子金属丝
弯折要求：
高度匹配线圈转轴（约2cm高）
顶部开V型槽（减少转轴摩擦）
2. 电路连接：
支架底部固定于硬纸板，分别连接电池正负极
导电测试：用导线短接支架，观察电池是否发热
四步打造你的专属电动机！
知识点3 项目实施
知识全解
步骤4：放置磁体与调试启动
1. 磁体定位：
强磁体平放在线圈正下方，N、S极方向与线圈平面平行
磁场验证：撒铁屑观察磁感线分布
2.启动秘诀：
轻推线圈至倾斜30°位置释放
成功标志：持续转动超过10圈
四步打造你的专属电动机！
知识点3 项目实施
知识全解
安全与注意事项！
1. 小刀刮漆包线：手手很重要！
刮漆操作：
"刮漆时刀片向外推，别对着手指！"（想象你在削铅笔，但更小心）
建议戴劳保手套（实验室那种白手套超酷的！）
偷懒警告：别用牙咬漆皮！铜线扎嘴超痛~
2. 电池安全：别让电池"生气"！
电路连接：
"正负极别接反！"（电池盒标有+ 号，瞪大眼睛看清楚）
短路警告：别让导线两头直接碰一起！会冒烟+烫手！
电池发热立刻停用（摸起来比奶茶还烫？赶紧找老师！）
展示交流
知识全解
课堂活动设计：
品展示会：我的电动机超酷！
任务卡：
晒设计：
"举起你的线圈！说出刮漆半周的操作理由~"
秀成果：
"三秒倒计时，看谁的线圈转得最持久！"
（全班一起喊：“3—2—1—转！”拿手机录慢动作）
互动投票：
"给最炫电动机点赞！ 最佳设计奖/最稳转速奖"
展示交流
知识全解
改进脑洞：未来工程师计划
奇葩方案收集：
"给线圈穿LED灯，转起来就是光剑！"（配星球大战BGM）
"把磁铁换成电磁铁，手机蓝牙控制转速！"（虽然现在做不到，但做梦免费~）
老师灵魂拷问：
"如果让你花10块钱升级，你买更粗的线、更强的磁铁，还是买轴承？为什么？
【项目提出】
生活中有许多地方会用到直流电动机，例如爸爸的电动剃须刀、夏天使
用的手持式风扇都是用直流电动机来驱动的。直流电动机的工作原理是
利用__________在______中受力转动，利用________及时改变线圈中的
电流______使得线圈可以持续转动。下面让我们一起制作一台简易的直
流电动机。
通电线圈
磁场
换向器
方向
【项目分析】
1.根据电动机的原理知，电动机主要由______和______组成，要制作直
流电动机，必须用________制成线圈，磁体要尽可能选择磁性较____的。
线圈
磁体
漆包线
强
2.为了便于快速转动，选择______作为转子，______作为定子。
线圈
磁体
3.没有换向器时，______（填“能”或“不能”）改变电流方向，但可以切
断电流，避免电动机反向受力而停止转动。
不能
【项目实施】
1.将漆包线绕成约 的矩形线圈，作为转子。从线圈的两端
各拉出约 的漆包线作为转轴。用硬质的铜导线竖立在泡沫板上作为
支架，准备开关及2节干电池作为电源，如图所示。
2.由于线圈是回形的，当线圈始终通电时，上下两个边中的电流方向是
______（填“相同”或“相反”）的；下方的磁体的磁场方向不变，两个边
轮流处于下方时，受力方向______；会使得线圈______（填“能”或“不
能”）连续转动。如果把这个反向转动的力去掉，也就是在线圈转动的上
半周通电，下半周断电，线圈依靠______能连续转动；因而用小刀刮去
线圈两端引线的漆皮，把左端全部刮掉，右端只刮______，组装好电动机。
相反
相反
不能
惯性
半周
3.接好电路后，给线圈通电并用手轻轻推动一下，观察到线圈不停地转
动，此时将____能转化为______能。
电
机械
【展示交流】
1.由于线圈两侧圈数不同，导致质量不等，放到支架上总是重力大的线
圈一侧在下方，若在左端只刮去半周漆皮，右端全部刮去绝缘漆皮后，
放上去不转，要推动半周多才开始转动，说明左端刮去是______
（填“上半”或“下半”）周绝缘漆皮；因而最好的方法是刮去____半周的
绝缘漆皮；线圈其中一端的漆皮全部刮去，另一端的漆皮刮半周留半周，
所起的作用与实际电动机中的________相同，即使线圈能够持续转动。
上半
下
换向器
2.转子在转动时，转轴受到的摩擦主要来源于支撑结构和电刷接触等。
对实验可能造成的影响有：①摩擦力会消耗部分机械能；②发热现象等。
3.用相同的材料制作的2个电动机串联后，一个电动机转动特别快，根
据线圈受力分析知，转动快的电动机的线圈匝数多，线圈受到的合力较
____（填“大”或“小”）。若增加一节电池供电，发现线圈转速变快了。
在不改变电源电压的前提下，小明想在电路中增加一个元件，可以方便
调节线圈转动的速度，结合所学的物理知识，请说出该元件的名称
____________，它跟电动机模型连接的方式是______（填“串联”或“并
联”）。
大
滑动变阻器
串联
4.如果整个制作没有问题，但接上电源后线圈不动，这时应做哪些尝试？
（说出两点即可）
解：（1）检查线圈中是否有电流;（2）检查磁体是否具有磁性。
5.通电后线圈能转动，如要改变转动方向，可采取什么做法？
解：（1）对调磁体两极；（2）对调电源两极。
谢谢观看！

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