利用風(fēng)力發(fā)電模型實(shí)現(xiàn)多種形式能量的轉(zhuǎn)化

齊楠+陳欣+汪丹丹

摘要：能量轉(zhuǎn)化是中學(xué)階段的重要內(nèi)容，兩種形式能量間的轉(zhuǎn)化是常見(jiàn)情況。本實(shí)驗(yàn)中將風(fēng)力發(fā)電與電化學(xué)相聯(lián)系，利用傳感器測(cè)量電路中的電流、電壓，現(xiàn)象與數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明風(fēng)能、機(jī)械能、電能、化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；電解；能量轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：1008-0546（2017）08-0085-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.029

能量的轉(zhuǎn)化是中學(xué)階段的重要內(nèi)容，物理中學(xué)習(xí)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；化學(xué)中學(xué)習(xí)原電池與電解池，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，本實(shí)驗(yàn)利用風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電作電源，電解硫酸銅溶液，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能、機(jī)械能、電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)將物理、化學(xué)兩學(xué)科相融合，可以讓學(xué)生真切感受到能量的轉(zhuǎn)化，加深對(duì)知識(shí)的理解。

一、實(shí)驗(yàn)原理

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)與風(fēng)車轉(zhuǎn)軸相連，進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，總的來(lái)說(shuō)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)越快，產(chǎn)生的電壓越大。實(shí)驗(yàn)中用電風(fēng)扇作為風(fēng)源，產(chǎn)生風(fēng)能。

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)作電源，銅片做陽(yáng)極，鉛筆芯（或鐵釘）做陰極，電解硫酸銅溶液。陰極上的Cu2+放電生成Cu，陽(yáng)極銅片失去電子，生成Cu2+進(jìn)入溶液，反應(yīng)方程式如下：

為了說(shuō)明鐵釘作陰極時(shí)，鐵釘上生成的銅主要是由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，而不是直接的置換反應(yīng)，展開(kāi)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，同時(shí)將與電源負(fù)極相連的鐵釘、獨(dú)立的鐵釘放入硫酸銅溶液中，對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；此外，用惰性的鉛筆芯作陰極，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：硫酸銅溶液、鐵釘、鉛筆芯；

實(shí)驗(yàn)儀器：Vernier風(fēng)力發(fā)電模型、Vernier電流傳感器、Vernier雙差電壓傳感器、計(jì)算機(jī)、鱷魚夾、燒杯、電風(fēng)扇。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 組裝風(fēng)力發(fā)電模型，葉片傾斜角度為20°左右。

（2）將電流傳感器、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連。

（3）將風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩極分別與銅片、鐵釘相連；再將雙差電壓傳感器兩極與發(fā)電機(jī)兩極相連，并聯(lián)入電路；電流傳感器串聯(lián)入電路。

（4）調(diào)整電風(fēng)扇位置，使兩風(fēng)扇輪轂中心相對(duì)，距離為50cm，并清理周圍障礙物；打開(kāi)電風(fēng)扇，等待30s，使發(fā)電風(fēng)扇勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

（5）將連接好的銅片、鐵釘放入硫酸銅溶液，構(gòu)成閉合回路，如圖1，2；同時(shí)將一根鐵釘放入另一個(gè)裝有硫酸銅的燒杯中。

（6）打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件，點(diǎn)擊“采集”，觀察陰陽(yáng)兩極的變化，120s后停止采集。重復(fù)采集三組數(shù)據(jù)。

（7）將鐵釘換為鉛筆芯，重復(fù)試驗(yàn)。

四、實(shí)驗(yàn)分析

1. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

作陰極的鐵釘和獨(dú)立的鐵釘表面均有紅色物質(zhì)產(chǎn)生，但是相同時(shí)間內(nèi)，陰極鐵釘上的紅色物質(zhì)更多。用鉛筆芯做陰極時(shí)，可以明顯看到其鍍上了紅色的銅，如圖3，說(shuō)明確實(shí)發(fā)生了電解反應(yīng)，Cu2+ 在陰極放電，生成銅單質(zhì)。

2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在軟件中，點(diǎn)擊“統(tǒng)計(jì)”工具，即可得到電解過(guò)程中電流、電壓的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，如圖4。

表1中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)是鐵釘作陰極時(shí)，電鍍過(guò)程中電路中的電流與電壓值，可以看出，三次測(cè)量的平均電流為0.049A左右，平均電壓為1.2V，電壓、電流值再次證明溶液中的離子受到電場(chǎng)的作用，鐵釘表面產(chǎn)生的銅單質(zhì)是由電解產(chǎn)生的。電流和電壓的標(biāo)準(zhǔn)差都較小，說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電壓比較穩(wěn)定。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用電壓傳感器測(cè)量了電路中的電壓為1.2V，可以證明風(fēng)力發(fā)電模型將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，此外，該電能可以進(jìn)一步利用，電解電解質(zhì)溶液，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，本實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了多種形式能量的連續(xù)轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1] http：//www.vernier.com/