直流電動機原理

一、參考大綱：

新人教版物理九年級全一冊第20章第4節——電動機。

[教材鏈接]（http://www.czwlzx.com/jazx/24424.html

二、該軟件中包含的教學重點、難點：

1、磁場對通電導線的作用。

2、直流電動機的原理、構造、應用。

3、電動機中換向器的構造和作用。

4、通電導體在磁場中受力的方向與電流方向和磁場方向的關系。

5、通電線圈在磁場中轉動的原理。

6、通電導體和通電線圈在磁場中受力而運動，是消耗了電能，得到了機械能。

7、學會安裝和制作簡單的電動機。

三、該軟件能解決的問題：

1、生活中的洗衣機、電風扇、電冰箱內部均有能轉動的電動機，那么電動機的內部結構是怎樣的呢？

2、通電線圈在磁場中為什么是兩邊受力，但方向相反。

3、通電線圈可以在磁場里轉動一定角度，為什么線圈不能持續轉動呢?可以動畫模擬線圈不能連續轉動。

4、可以控制變量法對“通電導體在磁場中受到力的作用”進行探究。

5、可以動畫模擬線圈能連續轉動。

6、能動畫模擬電動機的工作原理以及換向器的作用。

7、通過了解物理知識如何轉化成實際技術應用，能進一步提高學生學習科學技術知識和應用物理知識的興趣。

四、為什么要用虛擬現實互動技術來做電動機課題：

1、實際中的電動機內部結構比較復雜，學生通過實際中的電動機來分析其原理及結構，比較困難，用虛擬場景模擬電動機內部，可以將電動機內部結構簡化，方便學生分析。

2、磁場中一根通電導線與生活中一個電動機有哪些共同點，學生很難想象，本軟件可以將一根通電導線逐漸演變為一電動機，或者將一電動機的轉子逐漸演變為磁場中的一根通電導線。

3、磁感線、電流方向、線圈所受的力為不可見的，軟件可以將磁感線方向、電流方向及線圈所受力用箭頭顯示出來，方便學生學習。

4、能演示沒有換向器的電動機線圈如何轉動。

5、可以將正在工作中的電動機透明化，揭露電動機內部運行情況。

6、電動機在運行過程中，我們可以通過控制滑塊、按鈕等調節電流的大小或方向，分析電流大小、方向對電動機的轉速、轉向的影響。

7、模擬一只虛擬的左手，在電動機內部幫助學生分析線圈受力等現象。

五、設計思路：

一根通電導線演變為一電動機的過程。

六、軟件知識結構樹：

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七、Layout

7.1 講解模式

sc01：

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對白：

我們將電源，開關，滑動變阻器和一根鐵棒通過導線連接起來，組成一個電路，并且在鐵棒旁放入馬蹄形磁鐵，閉合開關，我們發現鐵棒發生了位移；

接著我們改變電流方向，然后閉合開關，鐵棒的運動方向也發生了改變；這說明了電流方向能夠影響通電鐵棒在磁場中的運動方向；

sc02:

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對白：

現在我們再加入一根鐵棒，將兩根鐵棒鏈接起來，形成不封閉的線圈，接著改變永磁體的位置。

閉合開關，通電線圈發生了轉動。

sc03:

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對白：

當線圈平面和磁體的磁場方向垂直時，線圈的受力方向不再向前，這個位置我們稱之為平衡位置。

這樣，一個問題就產生了，如果線圈內的電流方向總是固定的，那么線圈轉動經過平衡位置后它的受力方向改變了，會使得線圈無法朝著一個方向轉動。

sc04:

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對白：

為了使線圈通過平衡位置，繼續向前轉動，我們需要在平衡位置改變線圈的受力方向。

當線圈內電流方向發生改變時，通電線圈的運動方向會改變。

同樣，如果我們改變磁場極性，通電線圈的運動方向也會改變，但這種方法在電動機內部易實現。

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對白：

我們使線圈連接兩塊半圓形的銅片，分別與一個電刷接觸， 兩個電刷接通電源的正負極，從而達到改變電流方向的目的。

這樣的設計保證了靠近磁極的線圈導線內的電流方向是恒定的，不會隨著線圈的運動而改變，

這樣的裝置使得線圈可以恒定的朝著一個方向運動，這兩個銅片我們稱為換向器。

sc06：

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對白：

下面我們來分析線圈如何完成一周的轉動。開始時，換向器F與電刷A接觸，換向器E與電刷B接觸，閉合開關，在線圈的ab邊，電流由a流向b，受到向下的磁場力，cd邊，電流由d流向c，受到向上的磁場力，于是我們可以看見線圈沿順時針方向轉動起來了。

sc07：

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對白：

到達平衡位置，線圈的慣性使它沖過平衡位置。此時，換向器E與電刷A接觸、換向器F與電刷B接觸，電流方向變為相反方向，導致導線ab、cd受力方向也變為相反方向。因此線圈繼續沿順時針方向轉動，又到達平衡位置，再次靠慣性沖過去，因為電流方向又發生了改變，所以導線ab、cd受力方向也被改變了，線圈繼續順時針轉動，完成了一周的轉動。

總之，依靠換向器與電刷的配合，每轉動半周，線圈中的電流方向就改變一次，這樣它就能夠連續不停地沿同一方向轉動下去。

sc08：

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對白：

實際中的電動機，線圈由許多根纏繞在一起的線圈組成的，并且含有多組線圈，每組線圈各與一組換向片連接。為了更好的嵌放各組線圈，降低各組線圈工作時產生的熱能，我們在各組線圈之間嵌入電樞鐵芯。

sc09：

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對白：

最后插入軸承，為了電刷與換向器能夠穩定地接觸，在電刷的內部，通常含有彈簧。

sc10：

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對白：

我們裝上外殼，形成電動機。

7.2互動模式

界面1：

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說明：

1.通過調節滑塊改變電流大小，當電流越大時，電動機轉速越快，當電流越小時，轉速越慢。

2.當點擊按鈕“改變電流方向”時，電動機反方向轉動；電流正負極符號“+”、“-”交換。

3.點擊按鈕“內部結構”時，界面轉換到“界面2”。

界面2：

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說明：

1.氣球攜帶炸彈逐漸靠近目標“電動機”，當靠近之后炸毀電動機，游戲以失敗結束，點擊按鈕“重新開始”重新開始游戲。

2.點擊“說明”按鈕，彈出窗口“請使風扇正確的轉動起來，吹走炸彈”。

3.可以拖動按鈕“N”、“S”、“+”、“-”到虛線框處，給電動機正確指定磁場方向、電流方向。

4.當電動機往前吹風時，可吹走炸彈，此時如果風力太小，可調節“電流大小”按鈕或者“磁場大小”按鈕。

5.當電動機往后吹風時，氣球攜帶炸彈靠近電動機速度加快，此時應該及時糾正電動的轉向。

6.點擊“受力分析”按鈕，同時顯示出磁感線方向箭頭、電流方向箭頭、導線受力方向箭頭。