能源教具的開發(fā)

趙 瑋，鞠知達(dá)

(天津市第三中學(xué) 天津 300499)

人民教育出版社于2006年出版的《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教課程·物理》9年級(jí)教材中，“能”部分知識(shí)以“無(wú)處不在的能量”為主題開展學(xué)習(xí)，在第 17章“能源與可持續(xù)發(fā)展”中，主要圍繞能源的種類劃分依據(jù)、不同種類能源的功用以及能源與可持續(xù)發(fā)展等一些知識(shí)展開。但是，這部分內(nèi)容中，教材中并無(wú)探究或演示實(shí)驗(yàn)，僅有一個(gè)“想想做做”欄目中提供一種自制太陽(yáng)能集熱器的方法。為了拓展教材中實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)能源的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究的能力，筆者設(shè)計(jì)了一套組合能源轉(zhuǎn)化裝置。

該套裝置中大部分材料取材于生活，通過(guò)簡(jiǎn)單的制作便可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、電能之間的相互轉(zhuǎn)化。儀器的主要制作材料有：強(qiáng)磁體、漆包線、木條和木板、易拉罐、齒輪、太陽(yáng)能板、風(fēng)速儀等，全套儀器照片如圖1所示。

本套儀器最大的特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)不同能源之間的相互轉(zhuǎn)化，并且可以由學(xué)生自主探究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器間的組合，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。儀器工作抽象圖如圖 2所示。利用本套儀器可以在課堂教學(xué)中完成如下的實(shí)驗(yàn)探究：

圖1 全套儀器照片F(xiàn)ig.1 Picture of the whole device

圖2 儀器工作抽象原理圖Fig.2 Schematic diagram of a working principle of the device

2.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能

利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能是當(dāng)前清潔能源制備原理中與中學(xué)教學(xué)最貼近的內(nèi)容之一，也是學(xué)生日常生活中最為常見的。影響風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的主要因素為螺旋槳葉片個(gè)數(shù)、風(fēng)向和風(fēng)力大小等。因此，教師可設(shè)計(jì) 3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)操作由簡(jiǎn)到繁，探究?jī)?nèi)容由少到多編排，讓學(xué)生進(jìn)行分組探究實(shí)驗(yàn)，在親自動(dòng)手體驗(yàn)清潔能源獲得的過(guò)程中，運(yùn)用已學(xué)知識(shí)分析風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的原理，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證實(shí)踐猜想，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后理解控制變量法，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)研究方法。

實(shí)驗(yàn)一：探究螺旋槳葉片個(gè)數(shù)對(duì)風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。教師可利用圖片、視頻等方式，引導(dǎo)學(xué)生為什么絕大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電儀的螺旋槳都是 3個(gè)葉片而不是更多或更少？引發(fā)學(xué)生思考。讓學(xué)生使用所提供的3種不同的螺旋槳進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究螺旋槳葉片數(shù)量對(duì)風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化的影響。圖 3為探究螺旋槳葉片個(gè)數(shù)對(duì)風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響裝置圖。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師應(yīng)提示學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)使風(fēng)力大小和風(fēng)向一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)一裝置圖Fig.3 Set-up diagram of Experiment 1

實(shí)驗(yàn)二：探究風(fēng)力大小和風(fēng)向?qū)︼L(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。該實(shí)驗(yàn)的主要目的為探究在風(fēng)速一定的情況下，測(cè)量吹風(fēng)機(jī)風(fēng)筒處于不同傾角時(shí)，角度與電能轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，以及在風(fēng)向一定的情況下，風(fēng)力大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。圖 4為探究風(fēng)力大小和風(fēng)向?qū)︼L(fēng)能—電能轉(zhuǎn)化率的影響裝置圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)二裝置圖Fig.4 Set-up diagram of Experiment 2

2.2 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，太陽(yáng)能被廣泛應(yīng)用到日常生活中，例如太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能汽車等。雖然學(xué)生可能會(huì)比較了解這些前沿科技，但他們往往會(huì)忽略為什么生活中的太陽(yáng)能板在放置時(shí)都會(huì)有一個(gè)傾角？為什么這種清潔能源不能在家庭電路中使用？因此，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，可緊扣這兩點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)三：探究太陽(yáng)能板傾角與燈泡位置對(duì)太陽(yáng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。假設(shè)太陽(yáng)光的強(qiáng)度不變，用燈泡模擬太陽(yáng)。當(dāng)太陽(yáng)能板的傾角固定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)燈泡角度模擬太陽(yáng)的東升西落，可以探究一天之中不同時(shí)間太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率。另外，使燈泡位置保持不變，改變太陽(yáng)能板傾角，可以探究太陽(yáng)能板傾角與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)三裝置圖Fig.5 Set-up diagram of Experiment 3

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想為：一方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加深學(xué)生對(duì)控制變量方法的理解；另一方面，實(shí)驗(yàn)中利用燈泡模擬太陽(yáng)，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的規(guī)律，將地理學(xué)科和物理學(xué)科相結(jié)合，體現(xiàn)出學(xué)科間知識(shí)的交叉性，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。

實(shí)驗(yàn)四：如何讓太陽(yáng)能板輸出交流電。本實(shí)驗(yàn)中使用的方法是去掉電機(jī)中的換向器。當(dāng)光強(qiáng)一定時(shí)，太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電帶動(dòng)小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)使磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在線圈中感應(yīng)出交變電流。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental facilities

教學(xué)過(guò)程是一種雙向活動(dòng)，提問(wèn)式教學(xué)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更為重要的是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能更積極的思考，根據(jù)提問(wèn)內(nèi)容尋找解決問(wèn)題的方法，最終達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。學(xué)生對(duì)直流電機(jī)的改造過(guò)程本質(zhì)是創(chuàng)新，但創(chuàng)新的靈感源自牢固的基礎(chǔ)知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，不僅能強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。