趙 瑋，鞠知達(dá)

(天津市第三中學(xué) 天津 300499)

人民教育出版社于2006年出版的《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教課程·物理》9年級教材中，“能”部分知識以“無處不在的能量”為主題開展學(xué)習(xí)，在第 17章“能源與可持續(xù)發(fā)展”中，主要圍繞能源的種類劃分依據(jù)、不同種類能源的功用以及能源與可持續(xù)發(fā)展等一些知識展開。但是，這部分內(nèi)容中，教材中并無探究或演示實(shí)驗(yàn)，僅有一個“想想做做”欄目中提供一種自制太陽能集熱器的方法。為了拓展教材中實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容，加深學(xué)生對能源的認(rèn)識，鍛煉學(xué)生的動手操作技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究的能力，筆者設(shè)計(jì)了一套組合能源轉(zhuǎn)化裝置。

該套裝置中大部分材料取材于生活，通過簡單的制作便可實(shí)現(xiàn)太陽能、風(fēng)能、水能、電能之間的相互轉(zhuǎn)化。儀器的主要制作材料有：強(qiáng)磁體、漆包線、木條和木板、易拉罐、齒輪、太陽能板、風(fēng)速儀等，全套儀器照片如圖1所示。

本套儀器最大的特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)不同能源之間的相互轉(zhuǎn)化，并且可以由學(xué)生自主探究，通過實(shí)驗(yàn)儀器間的組合，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。儀器工作抽象圖如圖 2所示。利用本套儀器可以在課堂教學(xué)中完成如下的實(shí)驗(yàn)探究：

圖1 全套儀器照片F(xiàn)ig.1 Picture of the whole device

圖2 儀器工作抽象原理圖Fig.2 Schematic diagram of a working principle of the device

2.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能

利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能是當(dāng)前清潔能源制備原理中與中學(xué)教學(xué)最貼近的內(nèi)容之一，也是學(xué)生日常生活中最為常見的。影響風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的主要因素為螺旋槳葉片個數(shù)、風(fēng)向和風(fēng)力大小等。因此，教師可設(shè)計(jì) 3個不同的實(shí)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)操作由簡到繁，探究內(nèi)容由少到多編排，讓學(xué)生進(jìn)行分組探究實(shí)驗(yàn)，在親自動手體驗(yàn)清潔能源獲得的過程中，運(yùn)用已學(xué)知識分析風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的原理，通過對數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證實(shí)踐猜想，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后理解控制變量法，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)研究方法。

實(shí)驗(yàn)一：探究螺旋槳葉片個數(shù)對風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。教師可利用圖片、視頻等方式，引導(dǎo)學(xué)生為什么絕大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電儀的螺旋槳都是 3個葉片而不是更多或更少？引發(fā)學(xué)生思考。讓學(xué)生使用所提供的3種不同的螺旋槳進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究螺旋槳葉片數(shù)量對風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化的影響。圖 3為探究螺旋槳葉片個數(shù)對風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響裝置圖。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)提示學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)使風(fēng)力大小和風(fēng)向一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)一裝置圖Fig.3 Set-up diagram of Experiment 1

實(shí)驗(yàn)二：探究風(fēng)力大小和風(fēng)向?qū)︼L(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。該實(shí)驗(yàn)的主要目的為探究在風(fēng)速一定的情況下，測量吹風(fēng)機(jī)風(fēng)筒處于不同傾角時，角度與電能轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，以及在風(fēng)向一定的情況下，風(fēng)力大小對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。圖 4為探究風(fēng)力大小和風(fēng)向?qū)︼L(fēng)能—電能轉(zhuǎn)化率的影響裝置圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)二裝置圖Fig.4 Set-up diagram of Experiment 2

2.2 太陽能轉(zhuǎn)化為電能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，太陽能被廣泛應(yīng)用到日常生活中，例如太陽能電池、太陽能汽車等。雖然學(xué)生可能會比較了解這些前沿科技，但他們往往會忽略為什么生活中的太陽能板在放置時都會有一個傾角？為什么這種清潔能源不能在家庭電路中使用？因此，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時，可緊扣這兩點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)三：探究太陽能板傾角與燈泡位置對太陽能-電能轉(zhuǎn)化率的影響。假設(shè)太陽光的強(qiáng)度不變，用燈泡模擬太陽。當(dāng)太陽能板的傾角固定時，通過調(diào)節(jié)燈泡角度模擬太陽的東升西落，可以探究一天之中不同時間太陽能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率。另外，使燈泡位置保持不變，改變太陽能板傾角，可以探究太陽能板傾角與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)三裝置圖Fig.5 Set-up diagram of Experiment 3

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想為：一方面，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加深學(xué)生對控制變量方法的理解；另一方面，實(shí)驗(yàn)中利用燈泡模擬太陽，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的規(guī)律，將地理學(xué)科和物理學(xué)科相結(jié)合，體現(xiàn)出學(xué)科間知識的交叉性，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。

實(shí)驗(yàn)四：如何讓太陽能板輸出交流電。本實(shí)驗(yàn)中使用的方法是去掉電機(jī)中的換向器。當(dāng)光強(qiáng)一定時，太陽能板產(chǎn)生的直流電帶動小電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時使磁鐵轉(zhuǎn)動，從而在線圈中感應(yīng)出交變電流。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental facilities

教學(xué)過程是一種雙向活動，提問式教學(xué)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更為重要的是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能更積極的思考，根據(jù)提問內(nèi)容尋找解決問題的方法，最終達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。學(xué)生對直流電機(jī)的改造過程本質(zhì)是創(chuàng)新，但創(chuàng)新的靈感源自牢固的基礎(chǔ)知識。在實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅能強(qiáng)化基礎(chǔ)知識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。