利用风力发电模型实现多种形式能量的转化

齐楠+陈欣+汪丹丹

摘要：能量转化是中学阶段的重要内容，两种形式能量间的转化是常见情况。本实验中将风力发电与电化学相联系，利用传感器测量电路中的电流、电压，现象与数据来说明风能、机械能、电能、化学能之间的转化。

关键词：风力发电；电解；能量转化

文章编号：1008-0546（2017）08-0085-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.029

能量的转化是中学阶段的重要内容，物理中学习了将机械能转化为电能；化学中学习原电池与电解池，实现化学能与电能的相互转化，本实验利用风力发电产生的电作电源，电解硫酸铜溶液，实现了风能、机械能、电能与化学能的转化。实验将物理、化学两学科相融合，可以让学生真切感受到能量的转化，加深对知识的理解。

一、实验原理

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，将风能转换为机械能，发电机与风车转轴相连，进一步将机械能转化为电能，总的来说是将风能转化为电能，扇叶转动越快，产生的电压越大。实验中用电风扇作为风源，产生风能。

以风力发电机作电源，铜片做阳极，铅笔芯（或铁钉）做阴极，电解硫酸铜溶液。阴极上的Cu2+放电生成Cu，阳极铜片失去电子，生成Cu2+进入溶液，反应方程式如下：

为了说明铁钉作阴极时，铁钉上生成的铜主要是由电化学反应产生的，而不是直接的置换反应，展开对照实验，同时将与电源负极相连的铁钉、独立的铁钉放入硫酸铜溶液中，对比实验现象；此外，用惰性的铅笔芯作阴极，重复实验。

二、实验药品与仪器

实验药品：硫酸銅溶液、铁钉、铅笔芯；

实验仪器：Vernier风力发电模型、Vernier电流传感器、Vernier双差电压传感器、计算机、鳄鱼夹、烧杯、电风扇。

三、实验过程

（1） 组装风力发电模型，叶片倾斜角度为20°左右。

（2）将电流传感器、电压传感器、数据采集器、计算机相连。

（3）将风力发电机两极分别与铜片、铁钉相连；再将双差电压传感器两极与发电机两极相连，并联入电路；电流传感器串联入电路。

（4）调整电风扇位置，使两风扇轮毂中心相对，距离为50cm，并清理周围障碍物；打开电风扇，等待30s，使发电风扇匀速转动。

（5）将连接好的铜片、铁钉放入硫酸铜溶液，构成闭合回路，如图1，2；同时将一根铁钉放入另一个装有硫酸铜的烧杯中。

（6）打开数据采集软件，点击“采集”，观察阴阳两极的变化，120s后停止采集。重复采集三组数据。

（7）将铁钉换为铅笔芯，重复试验。

四、实验分析

1. 实验现象分析

作阴极的铁钉和独立的铁钉表面均有红色物质产生，但是相同时间内，阴极铁钉上的红色物质更多。用铅笔芯做阴极时，可以明显看到其镀上了红色的铜，如图3，说明确实发生了电解反应，Cu2+ 在阴极放电，生成铜单质。

2. 实验数据分析

在软件中，点击“统计”工具，即可得到电解过程中电流、电压的平均值、标准差等，如图4。

表1中呈现的数据是铁钉作阴极时，电镀过程中电路中的电流与电压值，可以看出，三次测量的平均电流为0.049A左右，平均电压为1.2V，电压、电流值再次证明溶液中的离子受到电场的作用，铁钉表面产生的铜单质是由电解产生的。电流和电压的标准差都较小，说明风力发电产生的电压比较稳定。

五、实验结论

利用电压传感器测量了电路中的电压为1.2V，可以证明风力发电模型将风能转化为机械能，进一步转化为电能，此外，该电能可以进一步利用，电解电解质溶液，将电能转化为化学能，本实验中实现了多种形式能量的连续转化。

参考文献

[1] http：//www.vernier.com/