韩亚东 拾景忠
(江苏师范大学 江苏 徐州 221116)
义务教育课程标准实验教科书物理八年级下册,第九章第6节“电动机”.
初中物理“电动机”教学中,一般使用的电动机教具大多结构复杂,并附属“换向器”、“电刷”等结构,此外,转子部分并不是空心矩形线圈,这与教材提供的空心线圈转子是有差别的,学生不容易将两者统一起来,并很难巩固好本节的重点知识“通电导线在磁场中受力的作用”,从而引起学习障碍.同时,学生对直流电动机电流的换向有一定的疑惑,总会想到把电源的正负极交换方向来改变电流的方向.
为此我们在准备参加“第五届全国大学生物理教学技能展评”训练过程中,摸索出了一种非常简单的、并能让学生自己动手制作的电动机模型,通过制作带有“手动换向器”的直流电动机解决了以上教学中存在的问题,使学生对电动机的工作原理以及换向器的原理有了直观的了解,效果颇佳.
课堂开始,用“会转动的线圈”(如图1)这个物理模型引入新课.简单好玩的电动机模型很容易激发学生的好奇心与求知欲.
图1 会转动的线圈
引出问题:
师:线圈为什么会转动?
学生带着疑问开始学习新的知识——电动机.
师:奥斯特实验说明了通电导体周围对磁体能产生力的作用,那么将通电导线放在磁场,它是否受到力呢?受力方向与谁有关?
设计实验并观察:
(1)未闭合开关时,导体在磁场中的情况;
(2)未加磁场时,通电导体的情况;
(3)闭合开关,观察导体在磁场中的情况.
师:从上述现象,你可以获得什么样的结论?
生:通电导体在磁场中会受到力的作用.
引导学生改进实验设计,引导学生观察:
(1)改变电流方向;
(2)改变磁场方向;
(3)同时改变磁场的方向和通入电流的方向.
小结:通电导体在磁场中的受力方向与电流方向和磁场方向有关.
以制作电动机为出发点,进行探究实验.
通过类比电动机,笔者制作了一个电动机模型,如图2所示.这儿有两个支架,既起到支撑的作用,同时又有导电的作用,在支架的下方有一块磁铁,在它的周围存在一定的磁场,用漆包线绕成了一个线圈,让我们把它放在支架上,为了便于通电,我们已经把引线的漆皮刮掉了.
图2 制作的电动机模型
师:现在的电动机是否已经做好了呢?让我们拭目以待.(闭合开关)同学们观察线圈有什么现象呢?现在大家可以相互讨论一下.
生:线圈来回摆动.
生:线圈没能够连续转动.
通电后,发现线圈来回的摆动,并没有像学生预想的那样不停的转动.(激发了学生的探索的兴趣)
师:大家回答得都非常好,线圈为什么来回摆动而不能连续转动呢?我们一块来分析一下.(电动机工作过程,如图3)
图3 直流电动机工作原理图
由于磁场及电流的方向没有发生变化,因而通电导线在磁场中受力的方向是固定不变的,这就使得线圈先有顺时针方向转动,转过平衡位置后,变为逆时针方向转动.
师:那么我们该如何改进装置,使它能够连续转动呢?(语气停顿)
生:改变力的方向.
师:听到有的同学说改变力的方向.嗯,很好,我们一块儿来分析一下.当线圈转过平衡位置的时候,改变力的方向,线圈将会继续沿着顺时针方向转动.
我们知道力的方向,不仅与电流的方向有关,还与磁场方向有关.下面,我们就固定磁场方向不变,通过改变电流的方向进行实验.
这儿有一个改变电流方向的装置,它是由双刀双掷开关改装成的,如图4所示.
图4 双刀双掷开关“手动换向”
当开关闭合到a端,我们看到电流从正极出发,经由2—1—c—d—4—5,按照这样的路径经过电动机,最后回到负极;当我们改变开关的方向,闭合到b端时,电流从正极出发,经由2—3—4—d—c—1—6—5,电流却按照这样的路径经过电动机,最后回到负极.很显然,当开关闭合的方向改变时,经过电动机的电流方向也改变了.
当线圈转过平衡位置的时候,我们来改变电流的方向.
大家准备好了吗?让我们闭合开关,改变、改变、改变……我们看到线圈转动起来了.我们的电动机做成功了.
像这样,改变电流方向的装置在我们物理中啊,是有专业名称的,我们把它叫做——换向器.其实生活中的直流电动机就是通过换向器来实现其功能的.
同理,我们也可以保持电流方向不变,不断地改变磁场的方向来使线圈连续转动.
生:我们的电动机操作太麻烦了……
师:嗯,我们的电动机还需要动手操作才能完成.
我啊,有一个更为简便的方法,既不改变电流的方向,也不改变磁场的方向,只需要另一个线圈,同样可以使它连续转动.大家相信吗?
生:不相信.
生:相信.
生:……也许吧.
师:让我们共同来见证一下.(换另一个准备好的线圈进行实验)
我们很清楚地看到线圈连续的转动.这是因为什么呢?
在之前,笔者已经把线圈引线的漆皮刮掉了半周,这样线圈每转一周,只有半周有电流通过,也就只有半周获得动力,因为线圈具有惯性,不通电的半周,将继续顺着原来的运动方向转动.再次运动到通电半周时,又获得了动力.这样周而复始.线圈就可以连续不断的转动下去了.就像我们骑自行车,骑一会儿,休息一会儿,车子还是继续的运动.
我们归纳一下,使得线圈可以连续转动的方法:
(1)改变电流的方向(换向器);
(2)改变磁场的方向;
(3)间歇的通断电.
现在给大家介绍下生活中实际的直流电动机.
(1)组成:转子和定子.
(2)电动机里,能够转动的部分叫转子,固定不动的部分叫定子.
(3)电动机工作实质是电能转化为机械能.
整堂课的教学构思新颖,首先通过引入能够“连续转动的线圈”这一物理模型,把学生的注意力和探索欲望聚焦到电动机上来.随后自己制作教具(电动机模型和手动换向器),在制作电动机的过程中,为了使线圈连续转动,一个问题解决了,新的问题又顺势呈现出来了,环环紧扣,牢牢吸引着学生的注意力.
整个课堂充满了有趣的物理实验,对教材进行了充分的二次挖掘.自制电动机和手动换向器在教学中增加了趣味性,开关闭合方向的改变,会使线圈转动方向发生改变,对前面的知识“当电流方向改变,通电导线受到力的方向也发生改变”有很好的巩固作用.同时对换向器的原理有了更直观的了解.
这则教学设计是笔者参加2013年全国第五届“人教社杯”大学生与研究生物理教学技能展评时采用的,课堂教学效果受到评委们的一致好评,因此获得教学技能一等奖.