組合發(fā)電儀的制作

孫佩雄，趙 君

（天津師范大學(xué)，天津 300387）

組合發(fā)電儀是一臺多種能量轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電儀，主要包括水能、風(fēng)能、機(jī)械能、生物能與電能間相互轉(zhuǎn)化。取材于生活中常見的材料，目的是學(xué)生明白能量之間相互轉(zhuǎn)化的過程。通過巧妙設(shè)計，不必改變實驗主體框架（如圖1所示），只需更換不同動力裝置，即可達(dá)到變換發(fā)電方式的目的，既突出了重點又節(jié)省了資源。下面就簡單介紹一下［1－2］。

圖1 主體框架

1 水力發(fā)電機(jī)

1.1 實驗原理

水處于高位，具有重力勢能。在向低處流動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，沖擊到水輪，帶動水輪轉(zhuǎn)動，水輪帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電能。即，水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

1.2 實驗材料

CD盒、鐵三角、螺絲、螺母、廢舊自行車輪內(nèi)胎、螺紋鋼條、塑料球。

1.3 制作過程及使用方法

（1）制作水輪。圍繞CD盒頂部，均勻固定6片鐵三角，作為輪片；距離底部2.5cm處一周，均勻安插6顆長約3cm螺絲，作為皮帶輪槽。在CD盒中央打孔，螺紋鋼條穿入后，上端加5mm寬吸管、彈簧墊片和螺絲，下端再穿入一顆小塑料球，使其1／3潛入盒中央的凹陷處，用膠固定。這樣做，可以減少摩擦，防止水輪在轉(zhuǎn)動過程中前后移動（如圖2a所示）。

圖2 承輪結(jié)構(gòu)與組裝圖

（2）組裝。套上制作完的皮帶，將水輪與主體框架安裝好（如圖2b所示），接入二極管。水流沖擊鐵三角正面，水輪帶動發(fā)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能，二極管發(fā)光。水流沖擊力越大，水輪轉(zhuǎn)速越快，感應(yīng)電動勢越大，產(chǎn)生感應(yīng)電流越大，二極管越亮。當(dāng)沖擊鐵三角背面時，水輪逆時針旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電流方向改變，二極管不發(fā)光。

1.4 儀器特點

物理實驗中，自制水力發(fā)電機(jī)的較少，關(guān)鍵是水輪不易制作。本儀器利用生活中常見的材料，稍加改造即可完成，讓學(xué)生感覺親切，容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。而且制作簡單，方便學(xué)生動手操作。

2 手搖發(fā)電機(jī)

2.1 實驗原理

通過人力搖動光盤，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。

2.2 實驗材料

光盤、螺絲、螺母、塑料盒（直徑小于光盤）、軸承、有機(jī)玻璃、螺紋鋼條、廢舊自行車輪內(nèi)胎、塑料球。

2.3 制作過程及使用方法

（1）制作滑輪。取一張光盤，在其內(nèi)側(cè)粘上嵌有軸承的有機(jī)玻璃，且軸承位于光盤中心。在兩張光盤間，夾一個塑料盒蓋，用長約5cm的螺絲固定，充當(dāng)把手。在盤中央打孔，使螺紋鋼條穿入，以相同方法防止滑輪在轉(zhuǎn)動過程中前后移動（如圖3a所示）。

（2）組裝。套上制作完的皮帶，將滑輪與主體框架安裝好（如圖3b所示），接入二極管。手搖越快，感應(yīng)電動勢越大，產(chǎn)生感應(yīng)電流越大，二極管越亮。當(dāng)搖動方向相反時，感應(yīng)電流方向改變，二極管不發(fā)光。

圖3 滑輪結(jié)構(gòu)與組裝圖

2.4 儀器特點

實驗條件可變。通過更換大小不同的塑料盒，即可改變手搖滑輪的直徑。當(dāng)電容作為負(fù)載時，搖動滑輪相同轉(zhuǎn)數(shù)后，將電容與二極管相連，比較兩次二極管發(fā)光時間長短，進(jìn)而判斷直徑不同的滑輪產(chǎn)生電量是否相同。這樣便于激發(fā)學(xué)生思考。同時，結(jié)構(gòu)簡單，材料常見，方便學(xué)生制作。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

3.1 實驗原理

利用風(fēng)力帶動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，從而發(fā)電。即，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

3.2 實驗材料

廢舊口香糖盒、光盤、尼龍扎帶。

3.3 制作過程及使用方法

（1）制作風(fēng)輪。將口香糖盒一分為二，固定在手搖滑輪上，上端與一張光盤相綁定，防止其轉(zhuǎn)動時來回晃動（如圖4a所示）。

（2）組裝。將風(fēng)輪與主體框架安裝好，接入二極管。用吹風(fēng)機(jī)吹動風(fēng)輪，風(fēng)速越大，風(fēng)輪帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)越快，產(chǎn)生感應(yīng)電流越大，二極管越亮。

圖4 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)與組裝圖

3.4 儀器特點

（1）新穎。一般風(fēng)輪由螺旋槳形的葉輪組成，比較難制作。本儀器用兩個半圓代替，組成S型，受力面積更大，相同風(fēng)力下旋轉(zhuǎn)更快，而且不再限定角度，來自任何方向的風(fēng)都能吹動。

（2）實驗條件可變。通過改變光盤上打孔的位置，便可移動兩個半圓，使中間區(qū)域增大或減小，觀察對轉(zhuǎn)速是否有影響。

（3）在手搖發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上制作，便于改裝，節(jié)省資源。

4 重力發(fā)電機(jī)

4.1 實驗原理

重物處于高位，具有重力勢能。在下落過程中，帶動滑輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。一部分重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，另一部分轉(zhuǎn)化為電能。即，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

4.2 實驗材料

不同直徑的塑料盒、螺絲、螺母、廢舊塑料瓶、廢舊自行車內(nèi)胎、魚線。

4.3 制作過程及使用方法

（1）制作重力滑輪。將不同直徑的塑料盒由小到大排列，用螺絲固定在手搖滑輪上（如圖5a所示）。

（2）組裝。把重力滑輪與主體框架安裝好（如圖5b所示），將重物的皮帶纏繞在任一個重力滑輪上，接入二極管。在重物下落運動過程中，二極管發(fā)光。

圖5 重力滑輪結(jié)構(gòu)與組裝圖

4.4 儀器特點

（1）實驗條件可變。利用不同的重力滑輪，產(chǎn)生的動能和電能不同。前提重物質(zhì)量不變，下落距離一定，即消耗重力勢能一定。不接負(fù)載時，重物動能最大。以電容作為負(fù)載，當(dāng)使用較小的滑輪時，由于重力力矩較小，產(chǎn)生動能較小，但電動機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)較多，電能較大。用較大的滑輪時，重力力矩較大，重物動能較大，但電動機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)較少，電能較小，符合能量守恒定律。電能大小以電容與二極管接觸后，二極管發(fā)光時間長短來判定。

（2）在手搖發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上制作，便于改裝，節(jié)省資源。

5 手拉發(fā)電機(jī)

5.1 實驗原理

利用自制手弓，來回拉動發(fā)電機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。即，生物能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

5.2 實驗材料

鐵絲、車條、廢舊自行車內(nèi)胎

5.3 制作過程及使用方法

（1）制作手弓。將鐵絲彎成弧形，兩端用車條固定，并粘上事先剪好的橡膠帶（如圖6a所示）。

（2）制作發(fā)光二極管檢流器。電路圖如圖6b所示，實物如圖6c所示。

圖6 手弓結(jié)構(gòu)圖

5.4 儀器特點

新穎，實驗條件可變。拉弓的過程中，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向不同，檢流器兩只箭頭交替閃亮，且拉動速度越快，二極管亮度越亮。

組合發(fā)電儀是一臺利用水能、風(fēng)能、機(jī)械能、生物能多種能量轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電儀。近些年來能源問題成為備受關(guān)注的話題之一，隨著科技發(fā)展，地球資源的緊張，人們發(fā)現(xiàn)越來越需要尋找到可循環(huán)利用的能源，來進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展。因此從小為學(xué)生樹立節(jié)約能源、盡量使用能源、低碳生活的理念就顯得尤為重要。這些儀器材料常見，大部分都是日常生活中的廢棄物，便于尋找，價格低廉。都可以改變不同的實驗條件，產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生思考，從而加深對知識的理解。老師也可組織學(xué)生分小組制作。一開始，學(xué)生也許僅限于簡單模仿，但在模仿中會逐漸理解原理。當(dāng)然教師的適當(dāng)幫助和團(tuán)隊的溝通協(xié)作也是必不可少。當(dāng)學(xué)生逐漸融入這樣開放的環(huán)境后，便會融入自己的思想，實現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造。制作完畢，教師讓學(xué)生相互演示、介紹，并進(jìn)行評比和優(yōu)秀作品展示，同時給予表揚、鼓勵，增強(qiáng)的成就感 ，提高對學(xué)習(xí)的興趣，從而促進(jìn)學(xué)生全面、和諧的成長。

［1］ 喬憲武，江影.設(shè)計性物理實驗教學(xué)方法改革［J］.大學(xué)物理實驗，2012，1（30）：81－83.

［2］ 江影，等.綜合設(shè)計性物理實驗項目開發(fā)與指導(dǎo)方法的探究［J］.大學(xué)物理實驗，2012，6（38）：116－118.