贯彻能量转化奠定电磁基础-自制垂直轴风力发电机.docx

          贯彻能量转化，奠定电磁基础-自制垂直轴风力发电机                    摘要：实验是物理教学的重要内容、方法和手段，学生通过观察实验现象．理解实验原理，更好地掌握物理规律和科学知识[1]在中学物理运动与能量部分，发电机涉及机械能到电能的转化，由于教材没有相关图片解释次能量转化过程，学生理解困难笔者基于现有的风力发电机类型，研究并改进了风力发电机模型，设计了一个作品制作方案，解决了制作过程中所遇到的问题，并且完成了风力发电机的制作，实现了将学习知识应用到实际的过程充分解决能量转化遗留的问题并且此教具还能用于后续电磁的学习，以及高中要学习的法拉第电磁感应定律，为学生学习电磁打下坚实的基础，实现物理学科的核心素养关键词：能量转化 风力发电机 电磁感应定律 自制教具一、问题提出：在教育科学出版社出版的物理教材八年级上册第2章第4节《能量》中，根据课程标准，要求学生了解生活中各种形式的能量，并且知道能量之间的转移与转化，但是“能量”作为一个比较抽象的概念，学生在其转化的理解上存在一定的困难，尤其是在发电机部分大多数同学都没有见过发电机发电的过程，如果没有相关教具的辅助，教师解释此现象也会略显枯燥，而此过程也是后续电磁学习的必备知识。

为此，笔者制作了一个发电机，辅助教师讲解这一知识，帮助学生理解这一现象二、实验原理：根据法拉第电磁感应定律，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生，电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比，若感应电动势用 表示，则 若闭合电路为一个N匝的线圈，则又可表示为 ，式中 为线圈匝数为磁通量变化量，单位为Wb， 发生变化所用时间，单位为s， 为产生的感应电动势，单位为V[1][2]如图1所示 .风力发电机的运动原理就是将轮轴固定在轴承上面,通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电机运行的原理 [3]. 三、设计思路结合多种资料，设计出如图所示的结构图，如图2所示风通过带动转子发电磁体的转动，实现通过闭合线圈（发电线圈——定子）中的磁通量发生变化，从而产生电流，为了减小摩擦采用悬空磁体以及滚轴装置四、实验器材准备与组装1、外壳部分：选择用一个牛奶塑料瓶子做发电机的机壳（如图3所示），方便贴发电磁体，并且它硬度适中，可以维持机体的稳固，另外牛奶盒便于获得，器材简单，给学生树立一种动手制作实验并不困难的思想2、转轴部分：采用毛细不锈钢管，用作支撑轴，以及导线的掩藏。

外径9mm，在合适的位置钻孔，如图4所示，用于将导线伸出3、发电磁铁转子部分：6块条形铷磁铁（长50mm宽15mm厚5mm）作为发电磁铁，贴在牛奶瓶内壁，作为转子由于发电磁体的磁性很强，还要异极相对粘在牛奶瓶的筒壁里，稍有不慎就会吸在一起，所以对胶水的黏度要求很高热熔胶、502胶水、AB胶都存在冷却后，胶体变脆，容易断开的情况，适合用于填充缝隙，但不能很好的将磁铁粘住，需要冷却后不会变脆的胶水，比如用于补胎的万能胶（如图5）由于发电磁铁吸力太强，即使是用万能胶也不能粘得很牢，所以还需要六片薄铷磁片（长50mm宽10mm厚1.5mm）贴在牙刷盒外壁，利用异极磁极相吸的方法吸住发电磁铁，再用胶带缠住，如图6所示4、在绕制发电线圈时，感应电流的方向容易出现问题，导致出现因电流相互抵消而外电路无电流的情况用工字轮（图7）做骨架，将漆包线绕在上面，作为发电线圈在绕制发电线圈时，一定要考虑清楚感应电流的方向，如图8所示5、悬空磁块：两块相同的环形铷磁铁做悬空磁体，确保其可以悬浮起一定的重物铷磁铁的磁性比铁锰磁要强很多，磁性强弱与体积成正比，准备一个型号6800（内径10mm外径19mm）的轴承，确保内径可以套入不锈钢管（外径9mm），外径可以套入环形磁铁（内径20mm）（如图9），利用轴承将环形磁铁以及转轴链接起来，同时减小摩擦。

在另一块环形磁铁以同样的方式与轴承结合，然后安装在上方（如图10）6、准备好以上工作之后，我们要开始组装发电机，从下到上的顺序组装，以轴承作为连接点如图11用交流电表或万用表测量发电机的电压和电流情况如果没有电流，那要检查发电线圈的缠绕方式、或在工字轮轴上缠绕一圈铝箔纸增强电感、或换磁力更强的发电磁体，然后再次测电流，电压此时可能的情况是有电流，但电压很小，可能只到毫伏级别我们会使用LED灯作为用电器，小功率的LED灯20mA正常点亮：红光、普绿的电压是1.8-2.2V，白光、绿光、蓝光电压是3.0-3.4V [6]不难看出电压太小，是没有办法将灯点亮的要增大电压我们可以使用变压器（图12）经过计算安装了一个1:20的变压器，使电压增加到最大3V是1.8V-3V的LED点亮，如图137、当确定发电机可以将灯点亮之后，我们给发电机装上风轮，类似于玩具风车的扇叶形状整个实验器材所需的材料，均可在五金店，或者通过互联网购买获得 五、结论分析当给这个发电机施加风能时，可以看到扇叶先转起来，产生了电能，学生能够宏观的看到发电机的原理，风能转换为机械能再转换为电能由此对于发电机的工作原理有了进一步的了解，透彻理解发电机之间的能量转化过程。

此装置发电机的的原理，在初中九年级上册会涉及，以及在高中教科版教材选修3-2还会继续深入学习了解这一教具能够多次使用，实现初中阶段解释能量之间的转化，并奠定电磁基础高中阶段法拉第电磁感应定律的进一步研究，并且此次教具的制作过程原理简单清晰明了，所需器材均能够在实体店或者是通过互联网购买，成本要求低，不仅有助于教师自制用来演示，也有助于学生自己动手实验探究，促进学生动手能力的发展，创新能力的养成，达到核心素养的培养参考文献[1] 张承祖,房庆安.法拉第电磁感应定律实验创新设计研究[J].物理教师,2020,41(06):44-46.[2] 邱慧.电磁感应现象的应用[J].中国教育科研论坛,2011,(11).[3] 龚洋.新形势下风力发电机原理及结构分析[J].现代商贸工业,2016,37(14):219.[4] 蒋超奇, 严强. 水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J]. 上海电力,2007(2):163-165.[5] 魏杰, 朱熀秋, 周超,等. 磁悬浮风力发电机发展及其控制策略研究[J]. 电气自动化, 2013, 35(1):7-11[6]韦雯静.面向学生自主探究能力培养需求的PBL项目设计——以垂直轴磁悬浮风力发电机为例2  -全文完-。