《電動機為什么會轉(zhuǎn)動》教學(xué)創(chuàng)新的探討

吳 山

提要：通過對教學(xué)思維的創(chuàng)新處理，結(jié)合自制教學(xué)器材及多媒體課件，挖掘《電動機為什么會轉(zhuǎn)動》這一節(jié)中的課程資源，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，這樣創(chuàng)新處理是符合新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的理念和要求的。

關(guān)鍵詞：教學(xué)創(chuàng)新多功能轉(zhuǎn)子模型換向器多媒體課件

《科學(xué)探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動》這一節(jié)是九年級滬科版物理教材第十六章的第三小節(jié)。上一節(jié)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(jié)之后是神來之筆。電動機的原理是通電導(dǎo)體在磁場中受到磁力的作用，實質(zhì)上是電流磁場與磁體磁場之間的相互作用。就本節(jié)而言，確是一節(jié)非常好的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)求實、不畏艱難追求真理的科學(xué)態(tài)度的好教材，體現(xiàn)了新課程以人為本的核心理念。然而這部分內(nèi)容在平時的教學(xué)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(yǎng)學(xué)生素質(zhì)的重要意義。下面筆者以切身體驗，淺析對教材的一些創(chuàng)新處理。

一、課堂教學(xué)過程中思維創(chuàng)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(chǎn)生，往往離不開生活生產(chǎn)的需要和啟迪，然后再進(jìn)行艱苦卓絕的研究才得以呈現(xiàn)世人的面前。電動機的發(fā)明也是如此。丹麥物理學(xué)家奧斯特在一次偶然中發(fā)現(xiàn)電流的磁場。證明了電和磁有著密切的聯(lián)系。改變了以往電和磁分開的歷史。本節(jié)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(fā)生方向的改變。根據(jù)物體間力作用是相互的道理。通電導(dǎo)線不也受到小磁針對它的磁力嗎?可不可以設(shè)計一個實驗說明這一點呢?由此很自然地導(dǎo)人到“探究通電導(dǎo)體在磁場中受到磁力作用”的實驗。這樣處理，符合人們認(rèn)知思維。

2以問題為軸心，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，環(huán)環(huán)相扣，步步深入，最終達(dá)到解決“電動機為什么會轉(zhuǎn)動”這一中心課題。

問題1：平動如何變成轉(zhuǎn)動?分析：通電導(dǎo)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(zhuǎn)動；解決辦法：把直導(dǎo)線彎曲成線圈(調(diào)出課件。以動畫的形式演示由平動變?yōu)檗D(zhuǎn)動的解決辦法)。產(chǎn)生新問題：將線圈直接連人電源。通電時，導(dǎo)線會纏繞。

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

問題3：為什么不能繼續(xù)轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)擺動現(xiàn)象；分析原因：剛轉(zhuǎn)過平衡位置時，線圈受力方向沒有改變。進(jìn)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(chǎn)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(diào)出課件，演示換向器的形成，同時結(jié)合多功能轉(zhuǎn)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(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和科學(xué)探索精神。

最后以一個問題小結(jié)：換向器的作用是什么?電動機為什么會轉(zhuǎn)動起來呢?

本節(jié)的中心問題是：電動機為什么會轉(zhuǎn)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(xiàn)有的電動機模型，還是不夠的。為了更好解決問題4，使學(xué)生對換向器有一個直觀形象的認(rèn)識，我特地自制了新的教學(xué)器材。即“多功能轉(zhuǎn)子模型”。

二、教學(xué)器材的創(chuàng)新處理：多功能轉(zhuǎn)子模型的制作

1自制雙環(huán)線圈。實現(xiàn)線圈在磁場中偏轉(zhuǎn)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(huán)(邊長7cm)、紅綠導(dǎo)線各一根。

制作方法：將漆包線在橡膠環(huán)上緊密纏繞15匝左右；剝?nèi)ヒ鼍€的漆層。分別連接上紅綠導(dǎo)線；將鋁管截成兩個2cm長的環(huán)。將紅綠導(dǎo)線剝?nèi)ソ^緣層后露出的銅絲分別鉗入兩個鋁環(huán)，同時將橡膠頭壓入環(huán)中，壓緊，使銅絲與鋁環(huán)緊密接觸；用電烙鐵將橡膠環(huán)對邊中心烙一個小孔，用毛線針從兩環(huán)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(huán)線圈支好，同時調(diào)節(jié)好電刷與雙環(huán)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(cè)，并調(diào)整好距離。用導(dǎo)線將電刷、開關(guān)和教學(xué)用電源串聯(lián)起來。檢查無誤后，調(diào)節(jié)電源電壓，閉合開關(guān)，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：該裝置能成功地演示“通電線圈在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(xiàn)象。

2改進(jìn)雙環(huán)線圈，研制成多功能轉(zhuǎn)子模型，既實現(xiàn)了上述要求。同時也實現(xiàn)了換向器的拆裝演示。

很顯然。上述模型能很好地實現(xiàn)“偏轉(zhuǎn)和擺動”，卻不能持續(xù)的轉(zhuǎn)動下去。如何讓它持續(xù)的轉(zhuǎn)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(yǎng)學(xué)生創(chuàng)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(huán)，并沿圖3-A所示的中線用鋼鋸鉅開，成為四個半環(huán)，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(huán)的內(nèi)側(cè)，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(yīng)半環(huán)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(huán)的內(nèi)側(cè)中線上，然后按圖3-E所示，在內(nèi)側(cè)中間焊接一個三角形支架。支架頂瑞有一圓孔?？變?nèi)有絕緣層，孔的中心處于鋁環(huán)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?nèi)テ釋?，同時適當(dāng)彎曲；按圖4所示，將半環(huán)組裝成整環(huán)，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(zhuǎn)子就做成了。

實驗操作：如圖5所示。將多功能轉(zhuǎn)子支在原先裝好的支架上，調(diào)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(xiàn)象(實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、擺動)；試驗成功后，拆下活動的兩個半環(huán)，旋出一個固定環(huán)的螺絲。并移動之使之與另一固定半環(huán)組合成一個環(huán)(中間有空隙，不導(dǎo)通)，即換向器，重新旋好螺絲，固定，架在支架上，同時調(diào)整電刷接觸良好。檢查無誤后接通電源，觀察現(xiàn)象(實現(xiàn)了繼續(xù)轉(zhuǎn)動下去)。

功能特點：不但實現(xiàn)了雙環(huán)線圈的功能。同時也實現(xiàn)了繼續(xù)轉(zhuǎn)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(huán)變成換向器的全部思維過程。對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)探索精神有重要的意義，在課堂教學(xué)中即使學(xué)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(huán)到換向器的演變過程進(jìn)行創(chuàng)新處理

教學(xué)器材的創(chuàng)新，揭示了換向器的演變和原理，使學(xué)生對雙金屬環(huán)到換向器的演變過程有了—個直觀的認(rèn)識，然而為了讓學(xué)生對此過程的認(rèn)識更加清晰。我特地在課件上設(shè)置了三個問題結(jié)合動畫進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(如圖6)

1當(dāng)線圈由幻燈片A轉(zhuǎn)到B時，如何讓電流不從線圈紅色(灰色代表紅，下同)端進(jìn)入?(解決辦法：將紅色環(huán)切掉一半，從而將之?dāng)嚅_)；

2如何讓電流自動變?yōu)閺木€圈黃色(白色代表黃，下同)端進(jìn)入?解決辦法如燈片c；

3此時兩電刷之間出現(xiàn)短路(幻燈片c所示)，怎么辦?(解決辦法如幻燈片D，將黃色環(huán)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(zhuǎn)過平衡位置時，及時自動改變電流方向。最后把兩個半環(huán)組合起來，就變成了換向器，如幻燈片F(xiàn)、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(jié)課以問題貫穿始終，結(jié)合自制教學(xué)器材及多媒體課件有意識地培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識，同時培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，這樣處理是符合新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的理念和要求的。

(責(zé)任編輯：陳光明)