组合发电仪的制作

孙佩雄，赵 君

（天津师范大学，天津 300387）

组合发电仪是一台多种能量转化为电能的发电仪，主要包括水能、风能、机械能、生物能与电能间相互转化。取材于生活中常见的材料，目的是学生明白能量之间相互转化的过程。通过巧妙设计，不必改变实验主体框架（如图1所示），只需更换不同动力装置，即可达到变换发电方式的目的，既突出了重点又节省了资源。下面就简单介绍一下［1－2］。

图1 主体框架

1 水力发电机

1.1 实验原理

水处于高位，具有重力势能。在向低处流动过程中，重力势能转化为动能，冲击到水轮，带动水轮转动，水轮带动发电机转动，产生电能。即，水能转化为机械能，机械能转化为电能。

1.2 实验材料

CD盒、铁三角、螺丝、螺母、废旧自行车轮内胎、螺纹钢条、塑料球。

1.3 制作过程及使用方法

（1）制作水轮。围绕CD盒顶部，均匀固定6片铁三角，作为轮片；距离底部2.5cm处一周，均匀安插6颗长约3cm螺丝，作为皮带轮槽。在CD盒中央打孔，螺纹钢条穿入后，上端加5mm宽吸管、弹簧垫片和螺丝，下端再穿入一颗小塑料球，使其1／3潜入盒中央的凹陷处，用胶固定。这样做，可以减少摩擦，防止水轮在转动过程中前后移动（如图2a所示）。

图2 承轮结构与组装图

（2）组装。套上制作完的皮带，将水轮与主体框架安装好（如图2b所示），接入二极管。水流冲击铁三角正面，水轮带动发电机顺时针旋转，产生电能，二极管发光。水流冲击力越大，水轮转速越快，感应电动势越大，产生感应电流越大，二极管越亮。当冲击铁三角背面时，水轮逆时针旋转，感应电流方向改变，二极管不发光。

1.4 仪器特点

物理实验中，自制水力发电机的较少，关键是水轮不易制作。本仪器利用生活中常见的材料，稍加改造即可完成，让学生感觉亲切，容易激发学习兴趣。而且制作简单，方便学生动手操作。

2 手摇发电机

2.1 实验原理

通过人力摇动光盘，进而带动发电机旋转产生电能。

2.2 实验材料

光盘、螺丝、螺母、塑料盒（直径小于光盘）、轴承、有机玻璃、螺纹钢条、废旧自行车轮内胎、塑料球。

2.3 制作过程及使用方法

（1）制作滑轮。取一张光盘，在其内侧粘上嵌有轴承的有机玻璃，且轴承位于光盘中心。在两张光盘间，夹一个塑料盒盖，用长约5cm的螺丝固定，充当把手。在盘中央打孔，使螺纹钢条穿入，以相同方法防止滑轮在转动过程中前后移动（如图3a所示）。

（2）组装。套上制作完的皮带，将滑轮与主体框架安装好（如图3b所示），接入二极管。手摇越快，感应电动势越大，产生感应电流越大，二极管越亮。当摇动方向相反时，感应电流方向改变，二极管不发光。

图3 滑轮结构与组装图

2.4 仪器特点

实验条件可变。通过更换大小不同的塑料盒，即可改变手摇滑轮的直径。当电容作为负载时，摇动滑轮相同转数后，将电容与二极管相连，比较两次二极管发光时间长短，进而判断直径不同的滑轮产生电量是否相同。这样便于激发学生思考。同时，结构简单，材料常见，方便学生制作。

3 风力发电机

3.1 实验原理

利用风力带动风轮转动，从而发电。即，风能转化为机械能，机械能转化为电能。

3.2 实验材料

废旧口香糖盒、光盘、尼龙扎带。

3.3 制作过程及使用方法

（1）制作风轮。将口香糖盒一分为二，固定在手摇滑轮上，上端与一张光盘相绑定，防止其转动时来回晃动（如图4a所示）。

（2）组装。将风轮与主体框架安装好，接入二极管。用吹风机吹动风轮，风速越大，风轮带动发电机旋转越快，产生感应电流越大，二极管越亮。

图4 风轮结构与组装图

3.4 仪器特点

（1）新颖。一般风轮由螺旋桨形的叶轮组成，比较难制作。本仪器用两个半圆代替，组成S型，受力面积更大，相同风力下旋转更快，而且不再限定角度，来自任何方向的风都能吹动。

（2）实验条件可变。通过改变光盘上打孔的位置，便可移动两个半圆，使中间区域增大或减小，观察对转速是否有影响。

（3）在手摇发电机的基础上制作，便于改装，节省资源。

4 重力发电机

4.1 实验原理

重物处于高位，具有重力势能。在下落过程中，带动滑轮和发电机转动。一部分重力势能转化为动能，另一部分转化为电能。即，机械能转化为电能。

4.2 实验材料

不同直径的塑料盒、螺丝、螺母、废旧塑料瓶、废旧自行车内胎、鱼线。

4.3 制作过程及使用方法

（1）制作重力滑轮。将不同直径的塑料盒由小到大排列，用螺丝固定在手摇滑轮上（如图5a所示）。

（2）组装。把重力滑轮与主体框架安装好（如图5b所示），将重物的皮带缠绕在任一个重力滑轮上，接入二极管。在重物下落运动过程中，二极管发光。

图5 重力滑轮结构与组装图

4.4 仪器特点

（1）实验条件可变。利用不同的重力滑轮，产生的动能和电能不同。前提重物质量不变，下落距离一定，即消耗重力势能一定。不接负载时，重物动能最大。以电容作为负载，当使用较小的滑轮时，由于重力力矩较小，产生动能较小，但电动机旋转次数较多，电能较大。用较大的滑轮时，重力力矩较大，重物动能较大，但电动机旋转次数较少，电能较小，符合能量守恒定律。电能大小以电容与二极管接触后，二极管发光时间长短来判定。

（2）在手摇发电机的基础上制作，便于改装，节省资源。

5 手拉发电机

5.1 实验原理

利用自制手弓，来回拉动发电机，使其旋转，产生电能。即，生物能转化为机械能，机械能转化为电能。

5.2 实验材料

铁丝、车条、废旧自行车内胎

5.3 制作过程及使用方法

（1）制作手弓。将铁丝弯成弧形，两端用车条固定，并粘上事先剪好的橡胶带（如图6a所示）。

（2）制作发光二极管检流器。电路图如图6b所示，实物如图6c所示。

图6 手弓结构图

5.4 仪器特点

新颖，实验条件可变。拉弓的过程中，由于发电机转动方向不同，检流器两只箭头交替闪亮，且拉动速度越快，二极管亮度越亮。

组合发电仪是一台利用水能、风能、机械能、生物能多种能量转化为电能的发电仪。近些年来能源问题成为备受关注的话题之一，随着科技发展，地球资源的紧张，人们发现越来越需要寻找到可循环利用的能源，来进行可持续发展。因此从小为学生树立节约能源、尽量使用能源、低碳生活的理念就显得尤为重要。这些仪器材料常见，大部分都是日常生活中的废弃物，便于寻找，价格低廉。都可以改变不同的实验条件，产生不同的现象，激发学生思考，从而加深对知识的理解。老师也可组织学生分小组制作。一开始，学生也许仅限于简单模仿，但在模仿中会逐渐理解原理。当然教师的适当帮助和团队的沟通协作也是必不可少。当学生逐渐融入这样开放的环境后，便会融入自己的思想，实现发明创造。制作完毕，教师让学生相互演示、介绍，并进行评比和优秀作品展示，同时给予表扬、鼓励，增强的成就感 ，提高对学习的兴趣，从而促进学生全面、和谐的成长。

［1］ 乔宪武，江影.设计性物理实验教学方法改革［J］.大学物理实验，2012，1（30）：81－83.

［2］ 江影，等.综合设计性物理实验项目开发与指导方法的探究［J］.大学物理实验，2012，6（38）：116－118.