能源教具的开发

赵 玮，鞠知达

(天津市第三中学 天津 300499)

人民教育出版社于2006年出版的《义务教育课程标准教课程·物理》9年级教材中，“能”部分知识以“无处不在的能量”为主题开展学习，在第 17章“能源与可持续发展”中，主要围绕能源的种类划分依据、不同种类能源的功用以及能源与可持续发展等一些知识展开。但是，这部分内容中，教材中并无探究或演示实验，仅有一个“想想做做”栏目中提供一种自制太阳能集热器的方法。为了拓展教材中实验部分内容，加深学生对能源的认识，锻炼学生的动手操作技能，培养其科学探究的能力，笔者设计了一套组合能源转化装置。

该套装置中大部分材料取材于生活，通过简单的制作便可实现太阳能、风能、水能、电能之间的相互转化。仪器的主要制作材料有：强磁体、漆包线、木条和木板、易拉罐、齿轮、太阳能板、风速仪等，全套仪器照片如图1所示。

本套仪器最大的特点就是可以实现不同能源之间的相互转化，并且可以由学生自主探究，通过实验仪器间的组合，达到预期的实验目的。仪器工作抽象图如图 2所示。利用本套仪器可以在课堂教学中完成如下的实验探究：

图1 全套仪器照片Fig.1 Picture of the whole device

图2 仪器工作抽象原理图Fig.2 Schematic diagram of a working principle of the device

2.1 风能转化为电能

利用风能转化为电能是当前清洁能源制备原理中与中学教学最贴近的内容之一，也是学生日常生活中最为常见的。影响风能-电能转化率的主要因素为螺旋桨叶片个数、风向和风力大小等。因此，教师可设计 3个不同的实验，按照实验操作由简到繁，探究内容由少到多编排，让学生进行分组探究实验，在亲自动手体验清洁能源获得的过程中，运用已学知识分析风能转化为电能的原理，通过对数据的分析验证实践猜想，得出实验结论，并在实验结束后理解控制变量法，培养学生正确的科学研究方法。

实验一：探究螺旋桨叶片个数对风能-电能转化率的影响。教师可利用图片、视频等方式，引导学生为什么绝大多数的风力发电仪的螺旋桨都是 3个叶片而不是更多或更少？引发学生思考。让学生使用所提供的3种不同的螺旋桨进行自主设计实验，探究螺旋桨叶片数量对风能-电能转化的影响。图 3为探究螺旋桨叶片个数对风能-电能转化率的影响装置图。在实验过程中，教师应提示学生每次实验过程中应使风力大小和风向一致。

图3 实验一装置图Fig.3 Set-up diagram of Experiment 1

实验二：探究风力大小和风向对风能-电能转化率的影响。该实验的主要目的为探究在风速一定的情况下，测量吹风机风筒处于不同倾角时，角度与电能转化率的关系，以及在风向一定的情况下，风力大小对实验结果的影响。图 4为探究风力大小和风向对风能—电能转化率的影响装置图。

图4 实验二装置图Fig.4 Set-up diagram of Experiment 2

2.2 太阳能转化为电能

随着科学技术的不断进步与发展，太阳能被广泛应用到日常生活中，例如太阳能电池、太阳能汽车等。虽然学生可能会比较了解这些前沿科技，但他们往往会忽略为什么生活中的太阳能板在放置时都会有一个倾角？为什么这种清洁能源不能在家庭电路中使用？因此，教师在进行教学设计时，可紧扣这两点进行教学设计。

实验三：探究太阳能板倾角与灯泡位置对太阳能-电能转化率的影响。假设太阳光的强度不变，用灯泡模拟太阳。当太阳能板的倾角固定时，通过调节灯泡角度模拟太阳的东升西落，可以探究一天之中不同时间太阳能转化为电能的转化率。另外，使灯泡位置保持不变，改变太阳能板倾角，可以探究太阳能板倾角与转化率之间的关系。实验装置如图5所示。

图5 实验三装置图Fig.5 Set-up diagram of Experiment 3

本实验的设计思想为：一方面，通过实验设计加深学生对控制变量方法的理解；另一方面，实验中利用灯泡模拟太阳，根据地球自转和公转的规律，将地理学科和物理学科相结合，体现出学科间知识的交叉性，培养学生综合应用的能力。

实验四：如何让太阳能板输出交流电。本实验中使用的方法是去掉电机中的换向器。当光强一定时，太阳能板产生的直流电带动小电机转动，电机转动的同时使磁铁转动，从而在线圈中感应出交变电流。实验装置如图6所示。

图6 实验装置Fig.6 Experimental facilities

教学过程是一种双向活动，提问式教学不仅能激发学生的学习兴趣，更为重要的是在教师的引导下，学生能更积极的思考，根据提问内容寻找解决问题的方法，最终达到学以致用的教学目的。学生对直流电机的改造过程本质是创新，但创新的灵感源自牢固的基础知识。在实验的过程中，不仅能强化基础知识，还可以培养学生的创新意识和创新精神。