直流电动机原理

一、参考大纲：

新人教版物理九年级全一册第20章第4节——电动机。

[教材链接]（http://www.czwlzx.com/jazx/24424.html

二、该软件中包含的教学重点、难点：

1、磁场对通电导线的作用。

2、直流电动机的原理、构造、应用。

3、电动机中换向器的构造和作用。

4、通电导体在磁场中受力的方向与电流方向和磁场方向的关系。

5、通电线圈在磁场中转动的原理。

6、通电导体和通电线圈在磁场中受力而运动，是消耗了电能，得到了机械能。

7、学会安装和制作简单的电动机。

三、该软件能解决的问题：

1、生活中的洗衣机、电风扇、电冰箱内部均有能转动的电动机，那么电动机的内部结构是怎样的呢？

2、通电线圈在磁场中为什么是两边受力，但方向相反。

3、通电线圈可以在磁场里转动一定角度，为什么线圈不能持续转动呢?可以动画模拟线圈不能连续转动。

4、可以控制变量法对“通电导体在磁场中受到力的作用”进行探究。

5、可以动画模拟线圈能连续转动。

6、能动画模拟电动机的工作原理以及换向器的作用。

7、通过了解物理知识如何转化成实际技术应用，能进一步提高学生学习科学技术知识和应用物理知识的兴趣。

四、为什么要用虚拟现实互动技术来做电动机课题：

1、实际中的电动机内部结构比较复杂，学生通过实际中的电动机来分析其原理及结构，比较困难，用虚拟场景模拟电动机内部，可以将电动机内部结构简化，方便学生分析。

2、磁场中一根通电导线与生活中一个电动机有哪些共同点，学生很难想象，本软件可以将一根通电导线逐渐演变为一电动机，或者将一电动机的转子逐渐演变为磁场中的一根通电导线。

3、磁感线、电流方向、线圈所受的力为不可见的，软件可以将磁感线方向、电流方向及线圈所受力用箭头显示出来，方便学生学习。

4、能演示没有换向器的电动机线圈如何转动。

5、可以将正在工作中的电动机透明化，揭露电动机内部运行情况。

6、电动机在运行过程中，我们可以通过控制滑块、按钮等调节电流的大小或方向，分析电流大小、方向对电动机的转速、转向的影响。

7、模拟一只虚拟的左手，在电动机内部帮助学生分析线圈受力等现象。

五、设计思路：

一根通电导线演变为一电动机的过程。

六、软件知识结构树：

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七、Layout

7.1 讲解模式

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对白：

我们将电源，开关，滑动变阻器和一根铁棒通过导线连接起来，组成一个电路，并且在铁棒旁放入马蹄形磁铁，闭合开关，我们发现铁棒发生了位移；

接着我们改变电流方向，然后闭合开关，铁棒的运动方向也发生了改变；这说明了电流方向能够影响通电铁棒在磁场中的运动方向；

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对白：

现在我们再加入一根铁棒，将两根铁棒链接起来，形成不封闭的线圈，接着改变永磁体的位置。

闭合开关，通电线圈发生了转动。

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对白：

当线圈平面和磁体的磁场方向垂直时，线圈的受力方向不再向前，这个位置我们称之为平衡位置。

这样，一个问题就产生了，如果线圈内的电流方向总是固定的，那么线圈转动经过平衡位置后它的受力方向改变了，会使得线圈无法朝着一个方向转动。

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对白：

为了使线圈通过平衡位置，继续向前转动，我们需要在平衡位置改变线圈的受力方向。

当线圈内电流方向发生改变时，通电线圈的运动方向会改变。

同样，如果我们改变磁场极性，通电线圈的运动方向也会改变，但这种方法在电动机内部易实现。

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对白：

我们使线圈连接两块半圆形的铜片，分别与一个电刷接触， 两个电刷接通电源的正负极，从而达到改变电流方向的目的。

这样的设计保证了靠近磁极的线圈导线内的电流方向是恒定的，不会随着线圈的运动而改变，

这样的装置使得线圈可以恒定的朝着一个方向运动，这两个铜片我们称为换向器。

sc06：

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对白：

下面我们来分析线圈如何完成一周的转动。开始时，换向器F与电刷A接触，换向器E与电刷B接触，闭合开关，在线圈的ab边，电流由a流向b，受到向下的磁场力，cd边，电流由d流向c，受到向上的磁场力，于是我们可以看见线圈沿顺时针方向转动起来了。

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对白：

到达平衡位置，线圈的惯性使它冲过平衡位置。此时，换向器E与电刷A接触、换向器F与电刷B接触，电流方向变为相反方向，导致导线ab、cd受力方向也变为相反方向。因此线圈继续沿顺时针方向转动，又到达平衡位置，再次靠惯性冲过去，因为电流方向又发生了改变，所以导线ab、cd受力方向也被改变了，线圈继续顺时针转动，完成了一周的转动。

总之，依靠换向器与电刷的配合，每转动半周，线圈中的电流方向就改变一次，这样它就能够连续不停地沿同一方向转动下去。

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对白：

实际中的电动机，线圈由许多根缠绕在一起的线圈组成的，并且含有多组线圈，每组线圈各与一组换向片连接。为了更好的嵌放各组线圈，降低各组线圈工作时产生的热能，我们在各组线圈之间嵌入电枢铁芯。

sc09：

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对白：

最后插入轴承，为了电刷与换向器能够稳定地接触，在电刷的内部，通常含有弹簧。

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对白：

我们装上外壳，形成电动机。

7.2互动模式

界面1：

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说明：

1.通过调节滑块改变电流大小，当电流越大时，电动机转速越快，当电流越小时，转速越慢。

2.当点击按钮“改变电流方向”时，电动机反方向转动；电流正负极符号“+”、“-”交换。

3.点击按钮“内部结构”时，界面转换到“界面2”。

界面2：

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说明：

1.气球携带炸弹逐渐靠近目标“电动机”，当靠近之后炸毁电动机，游戏以失败结束，点击按钮“重新开始”重新开始游戏。

2.点击“说明”按钮，弹出窗口“请使风扇正确的转动起来，吹走炸弹”。

3.可以拖动按钮“N”、“S”、“+”、“-”到虚线框处，给电动机正确指定磁场方向、电流方向。

4.当电动机往前吹风时，可吹走炸弹，此时如果风力太小，可调节“电流大小”按钮或者“磁场大小”按钮。

5.当电动机往后吹风时，气球携带炸弹靠近电动机速度加快，此时应该及时纠正电动的转向。

6.点击“受力分析”按钮，同时显示出磁感线方向箭头、电流方向箭头、导线受力方向箭头。