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17.2 探究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理
第十七章 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)
逐點(diǎn)
導(dǎo)講練
課堂小結(jié)
作業(yè)提升
課時(shí)講解
1
課時(shí)流程
2
探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用
平衡位置
換向器的作用
電動(dòng)機(jī)的工作原理
復(fù)習(xí)鞏固，引入新課
電動(dòng)機(jī)( 如圖1 所示) 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的線圈組→一個(gè)線圈中的一段直導(dǎo)線；電動(dòng)機(jī)定子槽內(nèi)的電磁鐵→蹄形磁鐵。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)兩個(gè)主要部件的簡(jiǎn)化后，
就可以用線圈或單根直導(dǎo)線與蹄形磁鐵來(lái)進(jìn)
行實(shí)驗(yàn)探究了。那么運(yùn)用單根直導(dǎo)線和蹄形
磁鐵，怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究呢？
溫故而推新
鞏固上節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，提出新的研究任務(wù)，從“舊知”中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，是一種良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)
知識(shí)點(diǎn)
探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用
知1－講
1
1. 實(shí)驗(yàn)裝置：如圖2 所示。
知1－講
2. 實(shí)驗(yàn)探究：磁場(chǎng)對(duì)電流的作用。
結(jié)論：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用。
實(shí)驗(yàn)操作 現(xiàn)象 結(jié)論
閉合開(kāi)關(guān) 金屬棒AB 運(yùn)動(dòng) 磁場(chǎng)中的導(dǎo)體只有通過(guò)電流時(shí)才會(huì)受到力的作用
斷開(kāi)開(kāi)關(guān) 金屬棒AB靜止不動(dòng)
移開(kāi)蹄形磁鐵 金屬棒AB 靜止不動(dòng) 通電導(dǎo)體必須在磁場(chǎng)中才受到力的作用
知1－講
3. 實(shí)驗(yàn)探究：通電導(dǎo)體受磁場(chǎng)力方向與哪些因素有關(guān)？
電流方向 磁場(chǎng)方向 導(dǎo)體棒AB 運(yùn)動(dòng)方向
由A 到B N 極在上 左
由B 到A N 極在上 右
由A 到B N 極在下 右
由B 到A N 極在下 左
知1－講
結(jié)論：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受磁場(chǎng)力方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)。若只改變電流方向或磁場(chǎng)方向，通電導(dǎo)體受力方向改變；若電流方向和磁場(chǎng)方向同時(shí)改變，則通電導(dǎo)體受力方向不變。
知1－講
學(xué)會(huì)思考
學(xué)會(huì)甄別，合理選擇
知1－講
你知道為什么選擇(b)方案嗎？你能分析出如果選用(a)和(c)方案實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意什么嗎？
答：若選用(a)方案或(c)方案裝置，需要短暫閉合開(kāi)關(guān)，觀察現(xiàn)象 ，然后馬上斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，因?yàn)橥姾箅娐废喈?dāng)于短路。
知1－講
①利用“控制變量法”和“轉(zhuǎn)換法”探究通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力情況
控制變量法
通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向與導(dǎo)線內(nèi)電流方向、磁場(chǎng)方向有關(guān)。
(1)保持電流方向不變，改變磁場(chǎng)方向，通電導(dǎo)線受力方向發(fā)生改變；
(2)保持磁場(chǎng)方向不變，改變電流方向，通電
導(dǎo)線受力方向發(fā)生改變；
(3)同時(shí)改變電流方向和磁場(chǎng)方向，通電導(dǎo)線
受力方向保持不變。
知1－講
例 1
如圖16 所示，圖甲是“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力”的實(shí)驗(yàn)示意圖，小謙同學(xué)實(shí)際探究時(shí)，在電路上連接了一個(gè)滑動(dòng)變阻器，實(shí)驗(yàn)記錄如表格所示。
知1－講
實(shí)驗(yàn)序號(hào) 磁場(chǎng)方向 ab 中電流方向 ab 運(yùn)動(dòng)方向
1 向下 無(wú)電流 靜止不動(dòng)
2 向上 由a 向b 向左運(yùn)動(dòng)
3 向下 由a 向b 向右運(yùn)動(dòng)
4 向下 由b 向a 向右運(yùn)動(dòng)
知1－講
(1)用筆畫線代替導(dǎo)線，在圖乙中將滑動(dòng)變阻器正確連入電路，小謙在電路中接入滑動(dòng)變阻器的作用是_________ 。
解：如圖17 所示
保護(hù)電路
知1－講
思路導(dǎo)引：滑動(dòng)變阻器按“一上一下”的接法接入電路，如圖所示。滑動(dòng)變阻器起到保護(hù)電路的作用，防止電源被短路。
知1－講
(2)比較實(shí)驗(yàn)2 和3，說(shuō)明通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向與__________有關(guān);比較實(shí)驗(yàn)__________，說(shuō)明通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向與電流方向有關(guān)。
磁場(chǎng)方向
2 和4
知1－講
思路導(dǎo)引：比較實(shí)驗(yàn)2 和3，電流方向相同，磁場(chǎng)方向不同，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向不同，說(shuō)明通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)；比較實(shí)驗(yàn)2 和4，磁場(chǎng)方向相同，電流方向不同，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向不同，說(shuō)明通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向與電流方向有關(guān)。
知1－講
(3)小謙通過(guò)觀察導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向，來(lái)判斷導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向，用到的科學(xué)方法是_____________。
轉(zhuǎn)換法
②判斷通電導(dǎo)線是否受磁場(chǎng)作用力
(1)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，導(dǎo)線不受磁場(chǎng)力的作用；
(2)當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力最大；
(3)當(dāng)通電導(dǎo)線既不與磁場(chǎng)方向平行，也不垂直時(shí)，導(dǎo)線所受力的大小介于零和最大值之間。
知1－講
思路導(dǎo)引：實(shí)驗(yàn)中通過(guò)觀察導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向，來(lái)判斷導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向，用到的科學(xué)方法是轉(zhuǎn)換法。
知1－練
1. 如圖(1)是探究通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力作用的實(shí)驗(yàn)裝置。閉合開(kāi)關(guān)，觀察到導(dǎo)線ab 向右運(yùn)動(dòng)，記錄現(xiàn)象如圖(2)甲所示(如圖甲、乙、丙是該實(shí)驗(yàn)裝置的剖面圖)，其中 表示電流垂直紙面向外流出， 表示電流垂直紙面向里流進(jìn)。接著把磁體的 N、S 極對(duì)調(diào)，記錄的現(xiàn)象如圖乙所示。
知1－練
(1)比較圖甲、乙可知，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向與 ______方向有關(guān)；
磁場(chǎng)
知1－練
(2)在圖丙中畫出磁感線方向；
解：如圖所示。
知1－練
(3)在圖丙中畫出導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力F 的示意圖。
解：如圖所示。
知1－練
見(jiàn)多識(shí)廣
在學(xué)習(xí)本節(jié)時(shí)經(jīng)常用到以下符號(hào)，請(qǐng)識(shí)記它們的相應(yīng)含義。“ ”表示磁感線方向垂直于紙面向外， “×”表示磁感線方向垂直于紙面向里；“⊙”表示電流方向垂直于紙面向外，“ ”表示電流方向垂直于紙面向里。
知2－講
知識(shí)點(diǎn)
平衡位置
2
通電線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
圖(a)中根據(jù)左手定則可以判斷，接通電路后，白色的邊受到的力向上，黑色的邊
受到的力向下，線圈在兩個(gè)力的
作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
知2－講
知識(shí)拓展
左手定則：
判斷通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向的方法——左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感線從掌心進(jìn)入，
并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所
指的方向就是通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受
安培力的方向。
知2－講
當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到圖(b)位置時(shí)，黑色的邊和白色的邊，受到的力恰好在一條直線上，且大小相等，方向相反，此時(shí)線圈受到的力為平衡力。但線圈由于慣性越過(guò)該位置繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)該位置后，黑色的邊仍然受力向下，白色的
邊仍然受力向上，此時(shí)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)越來(lái)越慢，速
度為零；接著會(huì)在磁場(chǎng)力作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)……
線圈來(lái)回?cái)[動(dòng)幾次就停在該位置上了。
知2－講
提綱挈領(lǐng)
線圈轉(zhuǎn)動(dòng)原因：
知2－講
2. 平衡位置
當(dāng)線圈平面轉(zhuǎn)到與磁感線方向垂直的位置時(shí)，線圈兩邊受到的力在同一直線上，且大小相等，方向相反，即線圈兩邊受到平衡力的作用而不能使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)位置叫做平衡位置。
平衡位置是指線圈平面和磁感線垂直的位置。
知2－講
3. 線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程
(1)如圖5 甲所示，通電線圈在磁場(chǎng)中兩邊受力，但方向相反，沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
知2－講
(2)如圖乙所示，當(dāng)線圈的平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，達(dá)到平衡位置，通電線圈受平衡力作用，這時(shí)由于慣性線圈還會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
知2－講
(3)如圖丙所示，線圈靠慣性越過(guò)平衡位置后，受磁場(chǎng)力作用的結(jié)果使線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
知2－講
(4)如圖丁所示，通電線圈最后靜止在平衡位置。
靜止之前，線圈會(huì)在平衡位置附近做振幅越來(lái)越小的擺動(dòng)。
知2－講
思想方法
過(guò)程分析法：
含義：事物在發(fā)展變化過(guò)程中，會(huì)處于幾個(gè)不同的階段，通過(guò)分析每個(gè)階段影響因素的變化，確定物體所處的狀態(tài)和發(fā)生的變化。
本節(jié)體現(xiàn)：研究對(duì)象——線圈，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，隨著位置的改變，兩邊導(dǎo)線內(nèi)的電流方向、所處磁場(chǎng)方向沒(méi)有發(fā)生改變，所以兩邊受力沒(méi)有改變；但是對(duì)于整個(gè)線圈，由于位置的改變，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。
知2－講
拓展一步
實(shí)際的電動(dòng)機(jī)都有多個(gè)線圈，每個(gè)線圈都接在一對(duì)換向片上，以保證每個(gè)線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中受力的方向都能使它朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
知3－講
知識(shí)點(diǎn)
磁感線—— 一種描述磁場(chǎng)的方法
3
換向器的結(jié)構(gòu)
換向器主要由電刷和彼此絕緣的金屬半圓環(huán)組成。換向器的兩個(gè)金屬半圓環(huán)分別跟線圈的兩端相連接，并通過(guò)電刷與電源兩極相連接。
知3－講
2. 換向器的作用：當(dāng)線圈剛越過(guò)平衡位置時(shí)，換向器就會(huì)改變線圈中電流的方向，從而改變線圈受力方向，使線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。
知4－講
知識(shí)點(diǎn)
電動(dòng)機(jī)的工作原理
4
1. 電動(dòng)機(jī)是根據(jù)通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的原理制成的。用直流電源供電的電動(dòng)機(jī)叫做直流電動(dòng)機(jī)。
也可以說(shuō)磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體有力的作用。
知4－講
知識(shí)廣角
實(shí)際使用的直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子的線圈有許多組，并且是嵌在圓柱形鐵芯上的，換向器也是由許多對(duì)銅片組成的，定子由機(jī)殼和電磁鐵或永磁體組成，轉(zhuǎn)子安裝在定子里，
兩個(gè)電刷是用石墨與銅粉混合壓
制而成的。
2. 電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程
知4－講
思想方法
對(duì)比分析法理解“平衡位置”：
沒(méi)有換向器時(shí)，線圈在磁場(chǎng)中處于平衡位置，線圈中有電流通過(guò)，線圈受平衡力的作用；有換向器時(shí)，線圈在平衡位置時(shí)，電刷和換向器的絕緣部分接觸，此時(shí)線圈中沒(méi)有電流通過(guò)，線圈不受力的作用。
3. 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：通電線圈在磁場(chǎng)中受到力的作用使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)換向器及時(shí)改變線圈中的電流方向，以保持線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
4. 電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
知4－講
5. 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體作用原理的應(yīng)用
(1)磁電式電流表(如圖11)。
知4－講
磁電式電流表即為中學(xué)物理常用的測(cè)量閉合回路電流大小的儀器。當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中就受到力的作用，線圈左右兩邊所受力的方向相反，安裝在軸上的線圈就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧將被扭動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，其大小與線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度成正比，當(dāng)線圈受到的磁場(chǎng)力與螺旋彈簧中的阻力相等時(shí)，線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)指針偏向的角度與電流成正比，故電流表的刻度是均勻的。當(dāng)線圈中的電流方向改變時(shí)，磁場(chǎng)力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變，所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向。
知4－講
(2)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器(如圖12)
知4－講
揚(yáng)聲器是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)的一種裝置。揚(yáng)聲器的構(gòu)造主要由固定的永久磁體、線圈和錐形紙盆構(gòu)成。當(dāng)線圈中通有電流時(shí)，線圈受到磁鐵的作用而運(yùn)動(dòng)；當(dāng)線圈中的電流反向時(shí)，線圈向相反方向運(yùn)動(dòng)，由于通過(guò)線圈的電流是交變電流，它的方向不斷變化，線圈就不斷地來(lái)回振動(dòng)，帶動(dòng)紙盆也來(lái)回振動(dòng)，于是揚(yáng)聲器就發(fā)出了聲音。
(3)電動(dòng)玩具和機(jī)器人。
知4－講
二者工作原理相同，都是磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體有力的作用。
知4－講
拓展一步
為什么玩具電動(dòng)機(jī)在任何位置都能啟動(dòng)？
答：這是因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子構(gòu)造，其采用了一種三極轉(zhuǎn)子，換向器也有三片，如圖所示。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，三極轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈平面總不能與磁感線同時(shí)垂直，因此它可以隨時(shí)啟動(dòng)。
知4－講
研究電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程。
例2
(1)電動(dòng)機(jī)的工作原理是磁場(chǎng)對(duì)_________有力的作用。圖甲中，線圈左右兩邊框ab、cd 的
受力方向相反，其原因是
______________。
通電線圈
電流方向不同
知4－講
思路導(dǎo)引：電動(dòng)機(jī)的工作原理是磁場(chǎng)對(duì)通電線圈有力的作用。線圈受力方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)；圖甲中，線圈左右兩邊框ab、cd 的受力方向相反，是因?yàn)閮蓚?cè)的電流方向不同。
知4－講
(2)圖乙中的線圈所在的位置______(填“是”或“不是”)平衡位置，圖中C、D 組成的裝置叫______，它的作用是在線圈______(填“剛轉(zhuǎn)到”“即將轉(zhuǎn)到”或“剛轉(zhuǎn)過(guò)”)平衡位置時(shí)，自動(dòng)改變
線圈中的電流方向，從而使
線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
是
換向器
剛轉(zhuǎn)過(guò)
知4－講
思路導(dǎo)引：圖乙中的線圈所在的位置是平衡位置，線圈可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)樗友b了換向器，它能在線圈剛轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置時(shí)，自動(dòng)改變線圈中的電流方向。
知4－講
(3)a. 小明將圖丙中直流電動(dòng)機(jī)模型接入電路，各部分連接完好，結(jié)果電動(dòng)機(jī)卻不能轉(zhuǎn)動(dòng)，他用手輕輕地碰了一下線圈后，直流電動(dòng)機(jī)模型開(kāi)始正常轉(zhuǎn)動(dòng)。模型剛開(kāi)始不轉(zhuǎn)的原因可能是______。
A．直流電動(dòng)機(jī)的銅半環(huán)與電刷接觸不良
B．電源電壓太低
C．線圈剛好處于平衡位置
D．線圈中的電流太小
C
知4－講
思路導(dǎo)引：直流電動(dòng)機(jī)的銅半環(huán)與電刷接觸不良，形成開(kāi)路，電路中沒(méi)有電流，形不成通電導(dǎo)體，故電動(dòng)機(jī)始終不會(huì)工作，A 不符合題意；若是電源電壓太低，即線圈中的電流很小，線圈所受的磁場(chǎng)力小于摩擦力時(shí)，即使我們輕推一下，電動(dòng)機(jī)也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，B 不符合題意；平衡位置時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子形成了開(kāi)路，導(dǎo)體中沒(méi)有電流通過(guò)，磁場(chǎng)對(duì)其沒(méi)有作用力，電動(dòng)機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是用手輕輕地碰了一下線圈后，線圈越過(guò)平衡位置，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，C 符合題意；若是線圈中的電流太小，同樣線圈所受的磁場(chǎng)力小于摩擦力時(shí)，即使我們輕推一下，電動(dòng)機(jī)也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，D 不符合題意。
知4－講
b. 調(diào)換器件______(填圖丙中器件序號(hào))的放置可方便改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
①
知4－講
思路導(dǎo)引：因?yàn)榫€圈受力方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)，所以圖丙所示的電動(dòng)機(jī)模型中，調(diào)換器件①(磁鐵)的放置，即改變磁場(chǎng)的方向，可方便改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
知4－講
③直流電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的理解
理解直流電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程時(shí)，還應(yīng)注意的兩個(gè)問(wèn)題：
(1)直流電動(dòng)機(jī)，在工作時(shí)，外部工作電路中，電流方向始終保持不變。
(2)依靠換向器與電刷的配合，通電線圈每轉(zhuǎn)過(guò)一周，線圈中的電流方向就改變兩次，這樣線圈就能夠連續(xù)不停地沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)下去。
知4－講
(3)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：
說(shuō)明：若同時(shí)改變磁場(chǎng)方向、電流方向，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變。即“一變則變，全變不變”。
探究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理
電動(dòng)機(jī)
能量轉(zhuǎn)化
原理
磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用
概念
探究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理
1. 磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的方向的影響因素：
(1)電流的方向；(2)磁場(chǎng)的方向。
2. 磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的大小的影響因素：
(1)電流的大小；(2)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。
3. 電動(dòng)機(jī)：
(1)原理：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用。
(2)結(jié)構(gòu)：定子和轉(zhuǎn)子。
(3)能的轉(zhuǎn)化：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

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