知识背景
1821 年，也就是奥斯特发现电流磁效应的第二年，英国皇家研究院的法拉第做了一个看上去像玩具的装置：一个盛着水银的小碗，中间竖着一根磁棒，上方悬着一根导线，导线下端浸在水银里。接通电源，那根导线就绕着磁棒不停地旋转。
这是人类第一台电动机。它没有任何实用价值——功率小得可怜，还得靠一碗有毒的水银。但它证明了一件根本性的事：电能可以持续不断地转化为机械能。奥斯特看到的是磁针偏转一下，法拉第看到的是转个不停。
问题在于，为什么普通线圈通电后只会转半圈就卡住？法拉第之后的工程师们花了几十年才解决这个难题，钥匙是一个叫换向器的小零件。它每半圈把电流方向调转一次，让线圈永远受到「继续转下去」的力。今天杭州地铁列车加速时，你听到的那阵嗡鸣，正是几台大功率电动机中的换向装置在工作。
知识讲解
磁场对通电导线的作用
通电导线在磁场中会受到力的作用。这个力使导线运动，因此实现了电能转化为机械能。
力的方向同时由两个因素决定：电流的方向和磁场的方向。
由此得到三条关键推论：
| 操作 | 力的方向 | 结果 |
|---|---|---|
| 只改变电流方向 | 反向 | 导线反向运动 |
| 只改变磁场方向（对调磁极） | 反向 | 导线反向运动 |
| 电流与磁场方向同时改变 | 不变 | 导线运动方向不变 |
- 通电螺线管：电源正负极与绕线方向同时反过来，N、S 极不变。
- 磁场中的通电导线：电流方向与磁极同时反过来，受力方向不变。
- 记忆方法：两个因素各让结果翻一次，翻两次就回到原样。
另外，导线平行于磁感线放置时不受力；导线中电流越大、磁场越强，受到的力越大。
直流电动机的构造与原理
直流电动机的主要构造：磁体（提供磁场）、线圈（通电后受力转动，也叫转子）、换向器（两个半圆形铜环）、电刷（把电流从电源引到换向器上）。
工作原理：通电线圈在磁场中受力而转动。能量转化是电能 → 机械能（同时有一部分因线圈发热变成内能）。
线圈平面与磁感线平行时，两条边受到的力最大且方向相反，形成使线圈转动的效果，转动最有力；线圈转到与磁感线垂直的位置（叫平衡位置）时，两边受力沿同一直线、方向相反，不能继续使线圈转动——线圈靠惯性冲过这个位置。
换向器：让电动机能连续转下去
若线圈中电流方向始终不变，线圈转过平衡位置后受力方向会把它推回来，结果只能在平衡位置附近来回摆动，无法连续转动。
换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，自动改变线圈中电流的方向，使线圈受力方向随之改变，从而始终沿同一方向继续转动。
换向器是两个半圆形铜环，跟着线圈一起转；两块电刷固定不动。线圈每转半圈，两个半环与两块电刷的接触互换一次，线圈里的电流方向就跟着反一次。
改变电动机的转向与转速
- 改变转向（只改一个因素）：①对调电源正负极；②对调磁体的 N、S 极。
- 改变转速：①改变电流大小（调电压或串联变阻器）；②改变磁场强弱；③改变线圈匝数。
实验与探究
用蹄形磁体、一段可自由摆动的直导线（挂在支架上）、电源、开关、滑动变阻器，探究通电导线在磁场中受力的规律。
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步骤与现象：
- 把导线放在蹄形磁体两极之间且垂直于磁感线，闭合开关。现象：导线立刻向一侧摆动，说明通电导线在磁场中受到力。
- 只把电源正负极对调，重新闭合开关。现象：导线向相反方向摆动。结论：力的方向与电流方向有关。
- 恢复原接法，把蹄形磁体翻转使 N、S 极对调。现象：导线也向相反方向摆动。结论：力的方向与磁场方向有关。
- 把电源正负极与磁极同时对调。现象：导线摆动方向与最初相同。结论：两个因素同时反向，力的方向不变。
- 把导线放成与磁感线平行，闭合开关。现象：导线几乎不动，说明此时不受力。
- 用滑动变阻器增大电流。现象：导线摆动幅度变大，说明电流越大受力越大。
注意：导线要能自由摆动（用软导线或悬挂式装置），否则看不出运动；每次只改变一个因素，这是控制变量法的要求；通电时间要短，避免电源短路发热。
经典例题
小杭自制了一个简易电动机：线圈两端的漆皮全部刮去，接在电池上，用两个回形针作支架。通电后线圈只能来回摆动，不能连续转。请分析原因并提出改进办法。
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第一步：明确电动机连续转动的条件，依据是线圈每转过平衡位置时，电流方向必须反向一次，否则受力会把线圈推回。第二步：分析他的做法。两端漆皮全部刮去，意味着线圈无论转到什么角度都始终通电、电流方向不变。第三步：推出后果。线圈从起始位置受力转动，冲过平衡位置后受力方向变为阻碍转动，把线圈推回来；如此反复，线圈只能来回摆动。
第四步：给出改进方案。把线圈一端的漆皮全部刮去、另一端只刮去一半（沿轴向刮掉半个圆周）。这样线圈转过平衡位置的半圈里，只刮一半的那端绝缘不通电，线圈靠惯性滑过；下半圈重新接通时，受力方向恰好仍推动它同向转动。
第五步：答：原因是电流方向始终不变；改进是让一端只刮半边漆皮，使线圈每半圈断电一次靠惯性通过平衡位置。对比工业电动机：工业上用换向器每半圈改变电流方向（而不是断电），推力更连续、效率更高。
难点与易错点
- 忘记换向器的真正作用：它不是「导电」而是每半圈改变线圈中电流的方向，从而让线圈持续单向转动。
- 认为对调电源正负极和对调磁极都能改变转向，同时做也能改变：同时对调则转向不变，只改一个才反向。
- 认为线圈在任何位置受力都最大：线圈平面与磁感线平行时转动效果最强，转到垂直（平衡位置）时无法继续带动转动。
- 认为导线在磁场中一定受力：导线平行于磁感线时不受力。
- 搞错能量转化方向：电动机是电能转化为机械能；发电机才是机械能转化为电能，两者不可颠倒。
- 说电动机把电能「全部」变成机械能：线圈有电阻，一部分电能必然变成内能，效率不可能是百分之百。
生活中的应用
- 杭州地铁列车的牵引电机：进站前电机反向作用可以帮助制动，出站时把电能高效转化为列车的动能。
- 西湖游船的电动化改造：柴油机换成电动机后噪声与油烟大幅下降，湖面空气与水质都受益。
- 家里的电风扇、洗衣机、抽油烟机：都靠电动机带动，靠调节电流（调速档）改变转速。
- 电动车与共享单车助力轮毂：把电动机直接装进车轮，结构紧凑、传动损耗小。
生活应用题 1 · 亚运场馆的电动卷帘门
某场馆卷帘门由直流电动机驱动。工作人员发现按「上升」和「下降」两个按钮时门的运动方向相反。①请说明按钮是如何改变电动机转向的？②若同时把电动机的磁体 N、S 极对调，再按「上升」，门会往哪个方向动？
分步解：
- 回忆决定受力方向的两个因素：依据「力的方向由电流方向和磁场方向共同决定」，改变其中任意一个即可反向。
- 解释按钮原理：两个按钮通过一组触点对调了电动机两端与电源正负极的连接，使线圈中电流方向相反，因此转向相反，门就一升一降。
- 分析第二问：按「上升」时电流方向恢复为上升时的方向，但磁极已被对调，磁场方向反了——只有一个因素改变，故受力方向反向。
- 答：①靠对调电源正负极改变电流方向；②按「上升」时门反而下降。这也提醒维修时若装错磁体极性，控制逻辑会整体反过来，属于典型故障。
生活应用题 2 · 电风扇为什么越调越快
家用落地扇有三档转速。测得一档时通过电动机的电流为 ，三档时为 ，电源电压 不变。①解释转速为何变化；②求三档比一档多消耗的电功率。
分步解：
- 解释转速变化的原因，依据「电流越大，通电线圈在磁场中受到的力越大」：调到三档时电流增大，线圈受力增大，转动更有力，转速升高。（档位开关实际上是改变了串联在电路中的电阻。）
- 求一档电功率，依据 ：。
- 求三档电功率：。
- 求差值：。
- 答：三档比一档多消耗 。延伸：这些电功率并未全部变成风的动能，线圈电阻发热会带走一部分，所以电风扇用久了外壳发烫是正常现象。
考点
- 选择题·高频：判断改变哪些条件能使通电导线（或线圈）反向运动
- 简答题·高频：换向器的作用；线圈为什么能连续转动
- 实验题·高频：探究通电导线在磁场中受力的控制变量设计
- 简答题：自制电动机只摆动不转动的原因与改进（半边刮漆）
- 概念题：电动机的能量转化（电能转化为机械能，伴随发热）
- 选择题：线圈在平衡位置的受力特点；导线平行磁感线时不受力
- 应用题：结合 计算电动机的电功率、效率
中考真题
关于直流电动机，下列说法正确的是（ ）A. 它的工作原理是电磁感应 B. 换向器的作用是每转半圈改变线圈中电流的方向 C. 同时对调电源正负极和磁体两极，线圈转动方向改变 D. 电动机把电能全部转化为机械能
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逐项分析：
- A 错：电动机的原理是磁场对通电导线有力的作用；电磁感应是发电机的原理。
- B 对：换向器每半圈使线圈中电流反向一次，保证线圈持续单向转动。
- C 错：同时改变两个因素，受力方向不变，转动方向也不变。
- D 错：线圈有电阻，必有一部分电能转化为内能，效率小于百分之百。
答案：B。
如图，蹄形磁体两极之间有一根可自由移动的通电直导线 ab，闭合开关后 ab 向左运动。请判断：①若只把电源正负极对调，ab 向哪运动？②若只把磁体上下翻转，ab 向哪运动？③若把导线改成沿磁感线方向放置，会怎样？④要使 ab 向左运动得更明显，可采取什么措施（写两条）？
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第一步：确立判断依据，即通电导线受力方向由电流方向和磁场方向共同决定，改变其中一个则受力反向，同时改变则不变。第二步：分析①。只对调电源正负极，电流方向反向，磁场未变，故受力反向，ab 向右运动。第三步：分析②。只翻转磁体，磁场方向反向，电流未变，故受力也反向，ab 向右运动。第四步：分析③。导线与磁感线平行时不受磁场力的作用，故 ab 保持静止。第五步：分析④。要使运动更明显就要增大受力：一是增大电流（提高电源电压或减小串联变阻器的阻值）；二是换用磁性更强的磁体（增强磁场）。答：①向右；②向右；③静止不动；④增大电流、增强磁场（任写两条即可）。