《電動機為什么會轉動》教學創新的探討

吳 山

提要：通過對教學思維的創新處理，結合自制教學器材及多媒體課件，挖掘《電動機為什么會轉動》這一節中的課程資源，培養學生的創新意識和嚴謹求實的科學態度，這樣創新處理是符合新課程標準提出的理念和要求的。

關鍵詞：教學創新多功能轉子模型換向器多媒體課件

《科學探究：電動機為什么會轉動》這一節是九年級滬科版物理教材第十六章的第三小節。上一節是《電流的磁場》，其中介紹了奧斯特實驗。而把電動機放在這一節之后是神來之筆。電動機的原理是通電導體在磁場中受到磁力的作用，實質上是電流磁場與磁體磁場之間的相互作用。就本節而言，確是一節非常好的培養學生創新精神和嚴謹求實、不畏艱難追求真理的科學態度的好教材，體現了新課程以人為本的核心理念。然而這部分內容在平時的教學過程中由于教師畏難情緒而往往被簡單化，忽略了其中培養學生素質的重要意義。下面筆者以切身體驗，淺析對教材的一些創新處理。

一、課堂教學過程中思維創新

1以奧斯特實驗作為分析解決問題的切入點

一項新事物的產生，往往離不開生活生產的需要和啟迪，然后再進行艱苦卓絕的研究才得以呈現世人的面前。電動機的發明也是如此。丹麥物理學家奧斯特在一次偶然中發現電流的磁場。證明了電和磁有著密切的聯系。改變了以往電和磁分開的歷史。本節課就由奧斯特實驗人手，提出一個有意義的問題，那就是：小磁針受力發生方向的改變。根據物體間力作用是相互的道理。通電導線不也受到小磁針對它的磁力嗎?可不可以設計一個實驗說明這一點呢?由此很自然地導人到“探究通電導體在磁場中受到磁力作用”的實驗。這樣處理，符合人們認知思維。

2以問題為軸心，發現問題、分析問題、解決問題，環環相扣，步步深入，最終達到解決“電動機為什么會轉動”這一中心課題。

問題1：平動如何變成轉動?分析：通電導線只受到—個方向上的磁場力的作用，所以只能朝一個方向作平動，而不能轉動；解決辦法：把直導線彎曲成線圈(調出課件。以動畫的形式演示由平動變為轉動的解決辦法)。產生新問題：將線圈直接連人電源。通電時，導線會纏繞。

問題2：如何解決導線不纏繞呢?分析：線圈通電時在磁場力作用下應該轉動，但連接的導線不能跟著轉動：解決辦法：線圈兩端各裝上一個金屬環。同時配上電刷，導線旋在電刷接線柱上(調出課件進行演示說明，如圖1)。產生新問題：導線纏繞問題解決了。但線圈通電后在磁場中發生偏轉時在平衡位置擺動幾下就停下來了，不能繼續轉下去。

問題3：為什么不能繼續轉動下去呢?分析：通電線圈在兩個方向相反但不在同一直線上的力作用下發生轉動，在平衡位置時兩力在同一直線上成為平衡力，由于慣性線圈仍會轉過平衡位置。但由于力的方向沒有改變，線圈又被拉回去，出現擺動現象；分析原因：剛轉過平衡位置時，線圈受力方向沒有改變。進一步討論：若要改變力的方向，可以改變電流方向或磁場方向，但改變電流方向要方便些。產生新問題；電流方向怎么改變呢?

問題4：如何自動改變電流的方向?調出課件，演示換向器的形成，同時結合多功能轉子模型，拆裝演示，形象、直觀、生動地展示換向器的工作原理，培養學生創新意識和科學探索精神。

最后以一個問題小結：換向器的作用是什么?電動機為什么會轉動起來呢?

本節的中心問題是：電動機為什么會轉動?而難點集中在換向器的形成及其作用。為了解決這一難題，單從理論上枯燥地講解或使用目前實驗室中現有的電動機模型，還是不夠的。為了更好解決問題4，使學生對換向器有一個直觀形象的認識，我特地自制了新的教學器材。即“多功能轉子模型”。

二、教學器材的創新處理：多功能轉子模型的制作

1自制雙環線圈。實現線圈在磁場中偏轉但在平衡位置擺動幾下就停止。

所需材料：橡皮頭、鋁制長管(口徑2cm左右)、漆包線(口徑1mm)、毛線針一根，矩形橡膠環(邊長7cm)、紅綠導線各一根。

制作方法：將漆包線在橡膠環上緊密纏繞15匝左右；剝去引出線的漆層。分別連接上紅綠導線；將鋁管截成兩個2cm長的環。將紅綠導線剝去絕緣層后露出的銅絲分別鉗入兩個鋁環，同時將橡膠頭壓入環中，壓緊，使銅絲與鋁環緊密接觸；用電烙鐵將橡膠環對邊中心烙一個小孔，用毛線針從兩環中心和烙孔中穿過。并用502膠固定，模型就制成了，如圖2所示。

實驗操作：選兩個大小合適的磁鐵作為磁極；在膠合板(長35cm寬30cm厚2cm)上裝上兩個支架，兩個電刷(用薄鋼片制成)；將雙環線圈支好，同時調節好電刷與雙環的位置使之接觸良好，讓線圈平面水平(與磁感線方向平行，下同)；將磁極平放在線圈的兩側，并調整好距離。用導線將電刷、開關和教學用電源串聯起來。檢查無誤后，調節電源電壓，閉合開關，觀察現象。

實驗現象：該裝置能成功地演示“通電線圈在磁場中發生偏轉，在平衡位置擺動幾下就停下來”這一重要的以前只靠口頭描述的現象。

2改進雙環線圈，研制成多功能轉子模型，既實現了上述要求。同時也實現了換向器的拆裝演示。

很顯然。上述模型能很好地實現“偏轉和擺動”，卻不能持續的轉動下去。如何讓它持續的轉動下去呢?把這一問題的解決過程用形象直觀的形式演示出來。是一個非常好的培養學生創新精神的課程資源。

補充材料：5cm口徑的鋁管、口徑3min的硬鋁條兩根

制作方法：將鋁管截成兩個5cm長的鋁環，并沿圖3-A所示的中線用鋼鋸鉅開，成為四個半環，用剩下的鋁管制成四個1cm寬5cm長的鋁片，分別焊接(鋁焊)在兩半環的內側，并外露6cm左右：再制八個3mm寬5cm長的鋁片焊接上去形成圖3-C所示樣品。打磨好后，將對應半環穿插咬合，能接觸緊密即可。截取兩個口徑4mm長5cm的鋁管(一端有螺絲孔)，并按圖3-D所示焊接在半環的內側中線上，然后按圖3-E所示，在內側中間焊接一個三角形支架。支架頂瑞有一圓孔。孔內有絕緣層，孔的中心處于鋁環的軸線上。將硬鋁條分別與漆包線的引出線連接緊密(注意剝去漆層)，同時適當彎曲；按圖4所示，將半環組裝成整環，裝入硬鋁條的兩端，并用螺絲旋緊。用毛線針穿中心而過，固定好之后，多功能轉子就做成了。

實驗操作：如圖5所示。將多功能轉子支在原先裝好的支架上，調整好電刷并接觸良好，通電(注：由于摩擦較大，需較高電源電壓如24V)并觀察現象(實現偏轉、擺動)；試驗成功后，拆下活動的兩個半環，旋出一個固定環的螺絲。并移動之使之與另一固定半環組合成一個環(中間有空隙，不導通)，即換向器，重新旋好螺絲，固定，架在支架上，同時調整電刷接觸良好。檢查無誤后接通電源，觀察現象(實現了繼續轉動下去)。

功能特點：不但實現了雙環線圈的功能。同時也實現了繼續轉下去的實驗要求；另外由于拆裝靈活，可以既直觀又生動地演示由雙環變成換向器的全部思維過程。對培養學生的創新意識和科學探索精神有重要的意義，在課堂教學中即使學生不動手。也有非常大的收獲。

三、在多媒體課件上將雙金屬環到換向器的演變過程進行創新處理

教學器材的創新，揭示了換向器的演變和原理，使學生對雙金屬環到換向器的演變過程有了—個直觀的認識，然而為了讓學生對此過程的認識更加清晰。我特地在課件上設置了三個問題結合動畫進行了創新設計(如圖6)

1當線圈由幻燈片A轉到B時，如何讓電流不從線圈紅色(灰色代表紅，下同)端進入?(解決辦法：將紅色環切掉一半，從而將之斷開)；

2如何讓電流自動變為從線圈黃色(白色代表黃，下同)端進入?解決辦法如燈片c；

3此時兩電刷之間出現短路(幻燈片c所示)，怎么辦?(解決辦法如幻燈片D，將黃色環切去一半即可，但整個線圈電流路徑成了開路)；

4如何變開路為通路?(通決辦法如幻燈片E)；

通過上面三個問題。很順利地解決了線圈剛轉過平衡位置時，及時自動改變電流方向。最后把兩個半環組合起來，就變成了換向器，如幻燈片F、G所示。

愛因斯坦曾說過。提出一個問題往往比解決一個問題來得更重要，更有意義；本節課以問題貫穿始終，結合自制教學器材及多媒體課件有意識地培養了學生的問題意識，同時培養了學生創新精神和嚴謹求實的科學態度，這樣處理是符合新課程標準提出的理念和要求的。

(責任編輯：陳光明)