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    綻放巴黎國(guó)際發(fā)明展的原創(chuàng)之花

    2019-06-17 04:56:53譚迪熬
    第二課堂(課外活動(dòng)版) 2019年5期
    關(guān)鍵詞:滴管單向閥集熱器

    譚迪熬

    2018年5月中旬,來(lái)自常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校的李貽曦同學(xué),通過(guò)近兩年的努力發(fā)明的“簡(jiǎn)易太陽(yáng)能定量澆水器”,在2018年法國(guó)巴黎國(guó)際發(fā)明展上一舉獲得金獎(jiǎng)。今天,我就將李貽曦同學(xué)這株“綻放巴黎國(guó)際發(fā)明展的原創(chuàng)之花”——簡(jiǎn)易太陽(yáng)能定量澆水器的發(fā)明經(jīng)歷,寫(xiě)出來(lái)與大家分享。

    2016年暑假,爸爸媽媽帶著李貽曦同學(xué)去外地旅游,半個(gè)月后回來(lái)發(fā)現(xiàn)家里盆栽的花草都枯萎了,主要是因?yàn)槟前雮€(gè)月天氣炎熱,家里沒(méi)人給花草澆水導(dǎo)致的。李貽曦同學(xué)想:可不可以發(fā)明一種自動(dòng)澆水裝置,這樣在沒(méi)有人看管的情況下可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水,花草就不會(huì)因干旱而死呢?隨后通過(guò)調(diào)查,李貽曦同學(xué)發(fā)現(xiàn)這種情況許多家庭都曾遇到過(guò)。這更加激發(fā)了他要盡快發(fā)明盆栽花卉自動(dòng)澆水裝置的欲望。

    通過(guò)科學(xué)課程的學(xué)習(xí),李貽曦同學(xué)知道植物在一天之中,對(duì)水的需求依據(jù)陽(yáng)光的強(qiáng)弱而不同,早晚少,中午多,夜間、陰雨天則基本不需要水。李貽曦于是想:能不能利用太陽(yáng)能的強(qiáng)弱與植物生長(zhǎng)需水量變化規(guī)律相近這一現(xiàn)象,通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)給花卉智能澆水呢?

    通過(guò)上網(wǎng)搜集相關(guān)資料,李貽曦同學(xué)發(fā)現(xiàn)很多智能澆水設(shè)備設(shè)計(jì)得都比較復(fù)雜,需要通過(guò)電力的輔助來(lái)完成自動(dòng)澆水,這不太適合家用,而利用太陽(yáng)能是最環(huán)保且最安全的,也是最經(jīng)濟(jì)的。通過(guò)請(qǐng)教學(xué)??萍驾o導(dǎo)員張才友老師,并走訪當(dāng)?shù)鼗ɑ芘嘤龑?zhuān)家,又經(jīng)過(guò)近三個(gè)月的周密思考后,李貽曦同學(xué)認(rèn)為可以將太陽(yáng)能的熱學(xué)原理與液體的力學(xué)原理結(jié)合起來(lái),利用空氣的熱脹冷縮來(lái)提供動(dòng)力,達(dá)到給花卉自動(dòng)澆水的目的。白天,將太陽(yáng)能集熱器正對(duì)陽(yáng)光,集熱器吸收太陽(yáng)熱量,容器內(nèi)空氣受熱膨脹,氣壓高于大氣壓,在單向閥的作用下(與滴管相連的單向閥只能出不能進(jìn),與貯水桶相連的單向閥只能進(jìn)不能出),水滴于花盆中,調(diào)節(jié)太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器,可控制水滴速度;夜間,集熱器溫度下降,容器內(nèi)空氣收縮,氣壓低于大氣壓,在單向閥的作用下,貯水桶中的水被吸入集熱器中,為下一輪自動(dòng)澆水做準(zhǔn)備。

    接著,李貽曦同學(xué)開(kāi)始了他的方案設(shè)計(jì)、模型制作、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等一系列發(fā)明過(guò)程。

    【方案一】 將太陽(yáng)能集熱器注入約三分之二的水后,正對(duì)陽(yáng)光插入花盆中;集熱器吸收太陽(yáng)熱量,容器內(nèi)空氣受熱膨脹,氣壓高于大氣壓,水滴于花盆中。調(diào)節(jié)太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器,可控制水滴速度。

    【方案二】 將下部的貯水容器注滿水,放在花盆旁;將太陽(yáng)能集熱器正對(duì)陽(yáng)光,集熱器吸收太陽(yáng)熱量,容器內(nèi)空氣受熱膨脹,氣壓高于大氣壓,水被壓出。調(diào)節(jié)太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器,可控制水滴速度。

    【方案三】 將水注入貯水桶中,直到水位指示器滿水刻度線為止,并往太陽(yáng)能集熱器中注入約三分之二的水,再將花卉種植在花盆中。白天,將太陽(yáng)能集熱器正對(duì)陽(yáng)光,集熱器吸收太陽(yáng)熱量,容器內(nèi)空氣受熱膨脹,氣壓高于大氣壓,在單向閥的作用下(與滴管相連的單向閥只能出不能進(jìn),與貯水桶相連的單向閥只能進(jìn)不能出),水滴于花盆中,若旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)能集熱器,改變太陽(yáng)能集熱器面向太陽(yáng)的黑白比例,可控制水滴速度;夜間,太陽(yáng)能集熱器溫度下降,容器內(nèi)空氣收縮,氣壓低于大氣壓,在單向閥的作用下,貯水桶中被吸入太陽(yáng)能集熱器中,為下一輪自動(dòng)澆水做準(zhǔn)備。

    【實(shí)驗(yàn)一】

    1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證方案一能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。

    2. 實(shí)驗(yàn)器材:太陽(yáng)能集熱器(依據(jù)黑色吸熱原理全部漆成黑色),太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器(依據(jù)白色反射原理全部漆成白色),帶錐形插桿的滴管,塑料杯,電子秤,計(jì)時(shí)器,照度計(jì)。

    3. 實(shí)驗(yàn)記錄:(時(shí)間單位為分鐘,重量單位為克,光照度單位為lx)

    4. 數(shù)據(jù)分析:按方案一設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。滴管出水速度與光照度有關(guān),光照越強(qiáng),水滴速度越快;顯然,通過(guò)太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器控制光照度完全可以調(diào)節(jié)水滴速度。在2小時(shí)35分鐘的時(shí)間內(nèi),出水總重量為290.3克。但一個(gè)500克容量的太陽(yáng)能集熱器,只能滿足4個(gè)小時(shí)左右的滴灌需求,即使通過(guò)太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水滴速度,也只能滿足兩天左右的滴灌需求。

    【實(shí)驗(yàn)二】

    1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證方案二能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。

    2. 實(shí)驗(yàn)器材:太陽(yáng)能集熱器(依據(jù)黑色吸熱原理全部漆成黑色),太陽(yáng)能調(diào)節(jié)器(依據(jù)白色反射原理全部漆成白色),貯水容器,滴管,塑料杯,空氣導(dǎo)管,電子秤,計(jì)時(shí)器,照度計(jì)。

    3. 實(shí)驗(yàn)記錄:(時(shí)間單位為分鐘,重量單位為克,光照度單位為lx)

    4. 數(shù)據(jù)分析:按方案二設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。在4小時(shí)30分鐘的時(shí)間內(nèi),無(wú)論光照度怎樣變化,均不能使貯水桶的水滴出。其原因在于太陽(yáng)能量有限,空氣受熱膨脹產(chǎn)生的力,不足以讓水克服重力及管道的阻力從出水口滴出。經(jīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)只有太陽(yáng)能集熱器高于出水口時(shí),在太陽(yáng)能的作用下,才有水從滴管處滴出。

    【實(shí)驗(yàn)三】

    1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證方案三能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。

    2. 實(shí)驗(yàn)器材:太陽(yáng)能集熱器(依據(jù)黑色吸熱與白色反射原理一半漆成黑色,一半漆成白色),帶單向閥的滴管,帶單向閥的進(jìn)水管,水位指示器,溢水管,貯水桶及套在貯水桶內(nèi)的花盆,塑料杯,電子秤,計(jì)時(shí)器,照度計(jì)。

    3. 實(shí)驗(yàn)記錄:(時(shí)間單位為分鐘,重量單位為克,光照度單位為lx)

    4. 數(shù)據(jù)分析:按方案三設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。滴管出水速度與光照度有關(guān),光照越強(qiáng),滴水速度越快。顯然,通過(guò)旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)能集熱器黑白比例控制光照度完全可以調(diào)節(jié)滴水速度。在3小時(shí)內(nèi),出水總重量為258.6克,當(dāng)集熱器中預(yù)裝的300克水滴完后,出水口不再滴水,可實(shí)現(xiàn)定量澆水。

    1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證方案三能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸水。

    2. 實(shí)驗(yàn)器材:太陽(yáng)能集熱器(依據(jù)黑色吸熱與白色反射原理一半漆成黑色,一半漆成白色),帶單向閥的滴管,帶單向閥的進(jìn)水管,水位指示器,溢水管,貯水桶及套在貯水桶內(nèi)的花盆,塑料杯,電子秤,計(jì)時(shí)器,照度計(jì)。

    3. 實(shí)驗(yàn)記錄:(時(shí)間單位為分鐘,重量單位為克,溫度單位為攝氏度)

    4. 數(shù)據(jù)分析:按方案三設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)吸水功能。吸水多少與環(huán)境溫度有關(guān),溫度越低,吸水越多。在4小時(shí)30分鐘內(nèi),吸水總重量為103.4克,一晚按9小時(shí)計(jì)算,能吸水206.8克,可基本滿足第二天的澆水需求。

    李貽曦同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),方案一雖然成功,但由于其存水量太少,只能完成一次澆花的任務(wù),無(wú)法滿足家中長(zhǎng)期無(wú)人時(shí)的自動(dòng)澆水需求。方案二改進(jìn)了方案一存水量不足的缺點(diǎn),增加了貯水裝置,可以保證多次澆水,但由于空氣膨脹壓力不足,無(wú)法將貯水自動(dòng)壓上來(lái),因此失敗。方案三在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn):A.采用方案一的設(shè)計(jì),將太陽(yáng)能集熱器置于滴管出水口的上方,提高水壓;B.增加了兩個(gè)單向閥,解決了吸水問(wèn)題;C.將貯水裝置與花盆相結(jié)合,對(duì)花盆中多余的水進(jìn)行回收并循環(huán)利用,解決了存水不足的問(wèn)題,基本達(dá)到了預(yù)定的研究目標(biāo)。

    隨后,李貽曦同學(xué)在張才友老師的指導(dǎo)下,做了進(jìn)一步完善。原因是方案三雖然完成了預(yù)定的研究目標(biāo),但其太陽(yáng)能集熱器的安裝位置影響到植物的生長(zhǎng),在外觀美感上也有所欠缺。他在完善后設(shè)計(jì)出了一種環(huán)形太陽(yáng)能集熱器,安裝在花盆口沿的上方,一邊黑,一邊白。這樣,即不影響植物的生長(zhǎng),又增加了花盆的美感。

    2018年4月底,通過(guò)層層遴選,李貽曦同學(xué)這款富有原創(chuàng)性的發(fā)明作品,隨著中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)代表團(tuán)走上了法國(guó)巴黎國(guó)際發(fā)明展的大舞臺(tái)。作品一經(jīng)展出,就受到綠色、環(huán)保意識(shí)極強(qiáng)的巴黎市民追捧,紛紛掏錢(qián)想要購(gòu)買(mǎi)!

    國(guó)際評(píng)委一致認(rèn)為:李貽曦同學(xué)發(fā)明的簡(jiǎn)易太陽(yáng)能定量澆水器,顛覆了傳統(tǒng)自動(dòng)澆花的概念,它利用太陽(yáng)能的強(qiáng)弱與植物生長(zhǎng)需水量變化相近這一規(guī)律,利用不同顏色對(duì)太陽(yáng)能吸收能力的差別,依靠空氣熱脹冷縮形成的動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)按需澆水功能;巧妙應(yīng)用單向閥原理,并將貯水桶與花盆合二為一,實(shí)現(xiàn)余水收集、夜間吸水、白天澆水的功能,為花卉護(hù)理提供了一項(xiàng)原創(chuàng)性的新作品。

    這真是:發(fā)明真諦是簡(jiǎn)單,原創(chuàng)之花稱(chēng)豪強(qiáng)。勇奪巴黎金牌獎(jiǎng),中國(guó)少年帥兒郎!

    (編輯 白 鳥(niǎo))

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