Магнитные явления · урок 4 из 6

Электродвигатель постоянного тока

Физика · 8 класс · базовый уровень
ФРП «Физика», Москва – 2025 · строка R05 · PHY8-059

Паспорт: R05 «Магнитные явления» (6 ч), урок 4/6, единицы R05.9 «Электродвигатель постоянного тока» и R05.10 «Использование электродвигателей в технических устройствах и на транспорте». Тип урока — Н.
Хронометраж: цели и актуализация 6 мин (сл. 2–3) · проблема и новый материал 15 (сл. 4–9) · закрепление 19 (сл. 10–16) · рефлексия 3 и ДЗ 2 (сл. 17). Сл. 13 (сравнение с ДВС) можно сократить до 1 мин.
Оборудование для демонстрации: модель электродвигателя (разборная), источник, ключ, реостат, амперметр; для лабораторной — электродвигатель с катушкой-шкивом, груз, нить, линейка, секундомер, вольтметр.

R05.9 · R05.10

Цели урока

Сегодня вы научитесь

Объяснять вращение рамки

с током в магнитном поле и роль коллектора (REQ-1.6)

Называть части двигателя

статор, якорь, коллектор, щётки — и их назначение (ПР-1, REQ-1.14)

Вычислять КПД

электродвигательной установки по измерениям (REQ-1.12, REQ-1.7)

Приводить примеры

применения электродвигателей на транспорте и в быту (REQ-1.16)

ПР-1 (8 класс): «характеризовать принципы действия изученных приборов и технических устройств… (в том числе… электромагнит, электродвигатель постоянного тока)». REQ-1.14 — то же в кодификаторе; REQ-1.12 — косвенные измерения; REQ-1.16 — примеры практического использования. Элементы содержания EL-7.17, EL-7.22.
Вид деятельности ФРП для урока: «Изучение действия электродвигателя. Измерение КПД электродвигательной установки. Распознавание и анализ различных применений электродвигателей (транспорт, бытовые устройства и др.)».

повторение: R05.8

Вспомним

Проводник с током в магнитном поле

Проблема: как заставить проводник не просто отклониться, а вращаться непрерывно?

6 мин. Вопросы классу: от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током? (От направления тока и от расположения полюсов магнита.) Что будет, если поменять местами полюса? (Сила сменит направление.)
⊗ — ток направлен от нас (видим «оперение стрелы»), ⊙ — к нам («острие стрелы»). Напомнить обозначения с прошлого урока (PHY8-058).
Проблемный вопрос — переход к новой теме: проводник отклоняется и останавливается, а вентилятор крутится непрерывно.

R05.9

Явление → модель

Рамка с током в магнитном поле поворачивается

Ток в сторонах рамки

течёт в противоположных направлениях: ⊗ и ⊙

Силы F

направлены в разные стороны: одна вниз, другая вверх

Итог

пара сил поворачивает рамку вокруг оси

R05.9

Проблема

Почему рамка не вращается непрерывно?

Рамка проскочит равновесие по инерции, силы вернут её обратно — она покачается и остановится.

R05.9

Решение

Коллектор и щётки меняют направление тока

Каждые пол-оборота ток в рамке меняет направление — и рамка вращается в одну сторону.

R05.9

Устройство

Из чего состоит электродвигатель

1

Статор — неподвижный магнит или электромагнит

2

Якорь (ротор) — обмотка на железном сердечнике, вращается

3

Коллектор — полукольца, переключает ток

4

Щётки — подводят ток к коллектору

5

Вал — передаёт вращение машине

R05.9

Опыт

Как управлять вращением двигателя

Сменить полярность тока

двигатель вращается в обратную сторону

Поменять полюса магнита

тоже обратное вращение

Увеличить силу тока реостатом

вращение быстрее — амперметр показывает больше

Демонстрация по схеме: модель двигателя, реостат, амперметр, ключ. Схема — по ГОСТ: двигатель — круг с буквой М, амперметр — круг с буквой А, реостат — прямоугольник со стрелкой.
Если поменять и полярность тока, и полюса магнита одновременно, направление вращения не изменится — хороший вопрос «на подумать».
Сила, действующая на рамку, растёт с силой тока — поэтому реостатом регулируют скорость (так раньше управляли трамваями).

R05.9

Энергия → формулы

Куда уходит энергия тока

A_{з} = U I t

A_{п} = m g h

η = \frac{A _{п}}{A _{з}} \cdot 100%

U — ВI — Аt — сm — кгh — мg ≈ 10 Н/кгA — Джη — КПД, %

R05.9 · лабораторная работа

Лабораторная работа

Измерение КПД электродвигательной установки

Оборудование: электродвигатель со шкивом, источник, ключ, амперметр, вольтметр, груз, нить, линейка, секундомер, провода.

Соберите цепь по схеме, закрепите двигатель у края стола.
Замкните ключ, измерьте время t подъёма груза на высоту h.
Запишите показания амперметра I и вольтметра U.
Вычислите $A_{п}$ , $A_{з}$ и КПД $η$ . Сделайте вывод.

Амперметр включают последовательно с двигателем, вольтметр — параллельно двигателю (соблюдать полярность: «+» прибора — к «+» источника). Ключ размыкать сразу после подъёма груза, двигатель не держать заторможенным — обмотка перегревается.
Массу груза измеряют весами заранее или берут из набора (грузы по 100 г). Высоту — линейкой, от пола (или от начального положения) до конечного.
При нехватке времени работу выполняет одна группа у демонстрационного стола, остальные считают по её данным (сл. 11).

R05.9

Образец расчёта

Считаем КПД по результатам опыта

величина	значение
масса груза m	0,5 кг
высота h	0,8 м
время t	4 с
напряжение U	4,5 В
сила тока I	0,8 А

$A_{п} = m g h = 0, 5 \cdot 10 \cdot 0, 8 = 4 Дж$

$A_{з} = U I t = 4, 5 \cdot 0, 8 \cdot 4 = 14, 4 Дж$

$η = \frac{4 Дж}{14 , 4 Дж} \cdot 100% \approx 28%$

28 %72 % — нагрев и трение

R05.10

Применение

Где работают электродвигатели

Транспорт

трамвай

метро, электричка

электромобиль

лифт

Дом и мастерская

пылесос

стиральная машина

вентилятор

дрель

Вопрос классу: назовите ещё приборы с электродвигателем (фен, миксер, кофемолка, холодильник — компрессор, вентилятор компьютера, электросамокат, станки, насосы, конвейеры, эскалатор).
Почему трамвай, троллейбус и метро — на электричестве: нет выхлопных газов в городе и под землёй, двигатель сразу развивает большую силу тяги при трогании.
В ОГЭ встречается вопрос «какое физическое явление лежит в основе работы электродвигателя» — действие магнитного поля на проводник с током.

R05.10

Сравним

Электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания

	электродвигатель	ДВС
выхлоп	нет	есть
энергия	сеть, аккумулятор	бензин, дизельное топливо
шум	тихий	громкий

1834 — Б. С. Якоби построил электродвигатель, в 1838 г. лодка с ним плавала по Неве.

Можно сократить. Данные КПД ориентировочные: крупные электродвигатели — до 95 %, бензиновые ДВС — около 25–30 %, дизельные — до 40 % (тепловые двигатели изучали в R02).
Минус электродвигателя на транспорте: нужен провод (трамвай, троллейбус, метро) или тяжёлый аккумулятор (электромобиль). Вопрос классу: где тогда «выхлоп» электромобиля? (На электростанции, если она тепловая, — обсуждение экологии, REQ-1.16.)
Борис Семёнович Якоби (Мориц Герман фон Якоби) — академик Петербургской академии наук; лодка с его двигателем перевозила около 12 пассажиров против течения Невы.

R05.9

Осторожно

Типичные ошибки

Где ошибаются	Неверно	Верно
роль коллектора	подводит ток к рамке	меняет направление тока каждые пол-оборота
превращение энергии	электрическая → тепловая	электрическая → механическая (часть — во внутреннюю)
формула КПД	$η = \frac{A _{з}}{A _{п}}$ , может быть 110 %	$η = \frac{A _{п}}{A _{з}} \cdot 100% < 100%$
смена направления	увеличить силу тока	сменить полярность тока или полюса магнита

R05.9 · R05.10

Закрепление

Решите

1базаКакое превращение энергии происходит в электродвигателе?

2базаЧто будет с рамкой в магнитном поле, если у двигателя нет коллектора?

3базаДвигатель трамвая работает при напряжении 600 В и силе тока 150 А. Найдите мощность тока.

4практикаИгрушечная машинка едет вперёд. Как заставить её ехать назад?

5повыш.Двигатель лебёдки (380 В, 20 А) за 40 с поднял груз массой 800 кг на 20 м. Найдите КПД.

6повыш.Почему КПД электродвигателя не может быть равен 100 %?

Ответы: 1) электрическая энергия → механическая (часть — во внутреннюю). 2) Рамка повернётся до положения равновесия, покачается и остановится. 3) P = UI = 600 · 150 = 90 000 Вт = 90 кВт.
4) Поменять полярность подключения батареек (в машинке для этого стоит переключатель). 5) Aп = mgh = 800 · 10 · 20 = 160 000 Дж; Aз = UIt = 380 · 20 · 40 = 304 000 Дж; η = 160 000 / 304 000 · 100 % ≈ 53 %. 6) Ток нагревает обмотки, есть трение в подшипниках и щёток о коллектор.
Задания 1–4 — все, 5–6 — по готовности. В задании 5 проверить запись краткого условия и перевод в СИ.

R05.9 · ОГЭ

Формат ОГЭ

Задание как на экзамене

2Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их действия.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

А) электродвигатель постоянного тока

Б) электромагнит

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

1) действие магнитного поля на проводник с током

2) магнитное действие электрического тока

3) тепловое действие электрического тока

4) взаимодействие электрических зарядов

Ответ:

А	Б

рефлексия · ДЗ

Итог урока

Проверьте себя и потренируйтесь

Ответьте одной фразой

Почему вращается рамка с током?
Зачем нужен коллектор?
Как найти КПД двигателя?

Домашнее задание

Нарисуйте устройство двигателя и подпишите 5 частей.
Двигатель игрушки (3 В; 0,2 А) за 5 с поднял груз 50 г на 0,6 м. Найдите КПД.
* Найдите дома 5 приборов с электродвигателем.
Тренажёр: reknow.ru/8/physics/8_physics_magnitnye.htm

Паспорт соответствия · скрытый слайд

PHY8-059 · Электродвигатель постоянного тока; Использование электродвигателей в технических устройствах и на транспорте

Поле	Значение
ФРП	«Физика» (базовый уровень), 7–9 кл., Москва – 2025 · 8 класс
Строка, урок	R05 «2.3 Магнитные явления», 6 ч · урок 4/6 · тип Н
Единицы → слайды	R05.9 «Электродвигатель постоянного тока» → 2, 4–11, 14–16 · R05.10 «Использование электродвигателей в технических устройствах и на транспорте» → 2, 12, 13, 15 · повторение R05.8 → 3
Результаты	ПР-1 / REQ-1.14 (принцип действия электродвигателя постоянного тока) → 6–8, 14, 16 · REQ-1.6 (объяснение) → 4–6, 15 · REQ-1.12, REQ-1.7 (КПД установки) → 9–11, 15 · REQ-1.15 (схемы цепей) → 8, 10 · REQ-1.16 (применение) → 12, 13 · EL-7.17, EL-7.20, EL-7.22
Вне урока	правило левой руки, генератор постоянного тока, электромагнитная индукция — R06 / 9 класс; практикум по постоянным магнитам — PHY8-060; обобщение — PHY8-061
Проверки	автопроверка: pending · методист: pending