張聲遙 柳福提 曾志強(qiáng) 李建華 何 希 余 慧

(宜賓學(xué)院理學(xué)部物理學(xué)院 四川 宜賓 644000)

物理教學(xué)過程中要讓學(xué)生逐漸形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng)[1]，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有不可替代的作用.在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究中，教師要充分挖掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題等方面的潛在價(jià)值[2]，它不僅能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能很好地促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成，從而提高教學(xué)效果[3,4].利用身邊用品和材料來設(shè)計(jì)現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生親歷動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要方法和手段.本文以生活中的制冷片為材料設(shè)計(jì)一個(gè)溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單安全、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較好等優(yōu)點(diǎn)，希望能為物理教師開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源提供一定的參考.

1 實(shí)驗(yàn)原理

作為本文中溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)核心部件的制冷片，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，表面覆蓋一層陶瓷，從內(nèi)部引出正負(fù)兩根導(dǎo)線，形狀呈長(zhǎng)方形，廣泛應(yīng)用于空調(diào)、凈水器等家用電器中.當(dāng)在兩根導(dǎo)線上施加一定的電壓時(shí)，制冷片會(huì)出現(xiàn)一個(gè)端面吸熱、另一個(gè)端面放熱的現(xiàn)象.與吸熱端面接觸的物體溫度會(huì)降低，從而起到降溫制冷的作用，其物理原理實(shí)質(zhì)上就是珀?duì)栙N(Peltire)效應(yīng)[5～7].如果把制冷片反過來使用，就可以利用溫差來發(fā)電，即把制冷片的放熱端面與高溫?zé)嵩唇佑|，吸熱端面與低溫?zé)嵩唇佑|，則制冷片的導(dǎo)線兩端會(huì)輸出一定的電壓，這種溫差發(fā)電原理實(shí)質(zhì)為塞貝克(Seebeck)效應(yīng)[5～7].

圖1 制冷片

制冷片的基本單元是熱電偶，是由一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體平行放置，一端用導(dǎo)體連接，另一端開路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 熱電偶的工作原理圖

通常，將連接端與高溫?zé)嵩唇佑|(heat source)成為熱端，另一端(開路)與低溫?zé)嵩唇佑|(cool source)成為冷端，從而使得兩個(gè)端面之間保持一定的溫度差.眾所周知，半導(dǎo)體中的載流子會(huì)從溫度高的地方擴(kuò)散到溫度低的地方.由于P型半導(dǎo)體中的載流子是正電荷，而N型半導(dǎo)體中的載流子是負(fù)電荷，故兩半導(dǎo)體在冷端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，如果把它連入電路，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電流.熱電偶兩端的電勢(shì)差與兩個(gè)端面之間的溫度差成正比[8]，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ε=αpn(Th-Tc)

(1)

其中ε是冷端兩半導(dǎo)體間的電勢(shì)差，Th是熱端的溫度，Tc是冷端的溫度，αpn是塞貝克系數(shù).從式(1)可知，在塞貝克系數(shù)一定的情況下，若要提高制冷片溫差發(fā)電的電壓，就需要增加兩個(gè)端面的溫度差.

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究所用的材料有：制冷片,蠟燭或酒精燈(高溫?zé)嵩?,導(dǎo)熱板,散熱器,指針式電流表和電壓表,發(fā)光二極管,接線器,導(dǎo)線,冰塊(低溫?zé)嵩?.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示.首先把一個(gè)散熱器放在水平桌面上，然后將制冷片(溫差發(fā)電片)放置在散熱器上，注意應(yīng)將制冷片的低溫端面與散熱器接觸，而且接觸面之間涂上導(dǎo)熱膏以利于熱的傳導(dǎo).其次，在制冷片上面放置一塊長(zhǎng)方形的金屬導(dǎo)熱板，板的一端與制冷片的高溫端面接觸，另一端與熱源接觸.當(dāng)熱源對(duì)導(dǎo)熱板的一端進(jìn)行加熱時(shí)，熱量會(huì)沿著導(dǎo)熱板流到制冷片的上端面，再經(jīng)過制冷片傳導(dǎo)到散熱器上，最后散失到空氣中.

圖3 溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，熱流是由溫度梯度所引起的，故在制冷片的上下兩個(gè)端面必然會(huì)存在溫度差，該溫度差會(huì)在制冷片的兩個(gè)導(dǎo)線上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).如果讓制冷片的兩根引出導(dǎo)線與發(fā)光二極管的正負(fù)極相連接，二極管將會(huì)發(fā)光.實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱金屬板將會(huì)直觀地看到二極管發(fā)光的現(xiàn)象，以此來創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)情境與探究任務(wù)，激發(fā)學(xué)生極大的求知欲，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理探究能力與科學(xué)思維具有重要意義.

在上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，可以把制冷片與阻值比較小的電阻連接，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)指針式電流表或并聯(lián)一個(gè)指針式電壓表.在用蠟燭或酒精燈對(duì)金屬片加熱的過程中，我們可以看到電流表或電壓表的指針會(huì)慢慢偏轉(zhuǎn)，直到熱流穩(wěn)定以后，指針會(huì)在某個(gè)刻度附近穩(wěn)定下來，這一過程可以很好地說明溫差發(fā)電的物理原理.

4 實(shí)驗(yàn)討論

在實(shí)驗(yàn)時(shí)如果只用一個(gè)制冷片，會(huì)發(fā)現(xiàn)二極管的發(fā)光效果不穩(wěn)定.究其原因，有以下三方面：第一，二極管有一個(gè)1.2 V左右的開啟電壓，而且內(nèi)阻很大(超過1 MΩ)，發(fā)電片需要在較大的溫差條件下，使輸出電壓超過額定電壓.在開始加熱時(shí)，發(fā)電片上下端面溫差較大，但隨著熱流逐漸穩(wěn)定，溫差將會(huì)減小，所以二極管只能亮一短暫的時(shí)間，發(fā)光不穩(wěn)定.第二，由于我們所用的熱源——蠟燭燃燒并不穩(wěn)定，隨著蠟燭的燃燒，其長(zhǎng)度會(huì)不斷減小，火焰離導(dǎo)熱板距離越來越遠(yuǎn)，導(dǎo)致熱流減小.第三，導(dǎo)熱板表面會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間灼燒而產(chǎn)生氧化層，使熱阻變大，阻礙熱量的傳導(dǎo).通過以上分析，為保證穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果，可將兩個(gè)發(fā)電片串聯(lián)使用，如圖4所示.兩個(gè)串聯(lián)的發(fā)電片可以提供足夠的功率和電壓來啟動(dòng)二極管，保證實(shí)驗(yàn)可以取得較好的穩(wěn)定效果.

圖4 在實(shí)驗(yàn)中將兩個(gè)溫差發(fā)電片串聯(lián)使用

還有一種改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果的方法是利用冰塊作為低溫?zé)嵩?從前面對(duì)制冷片的分析可知，若要提高發(fā)電片的輸出電壓，需要提高發(fā)電片上下端面的溫度差.在此實(shí)驗(yàn)中，如果只依靠散熱器向空氣散熱，散熱效果不太理想，引起熱量堆積，使得發(fā)電片兩端溫度差減小，影響實(shí)驗(yàn)效果.如果把散熱器底面置于冰塊上，便可以大大降低散熱器的溫度，提高溫度差，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果.另外，還可以創(chuàng)設(shè)任務(wù)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究熱轉(zhuǎn)化電的效率問題，并提出提高熱電轉(zhuǎn)換效率的方案，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力.筆者運(yùn)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究方案進(jìn)行了教學(xué)嘗試，實(shí)踐表明：在教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)此溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)的物理機(jī)制進(jìn)行了深入的討論，并提出了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施，教學(xué)效果非常好.

5 總結(jié)

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想，本文以塞貝克效應(yīng)為物理基礎(chǔ)，用制冷片作為核心部件，設(shè)計(jì)以蠟燭為熱源的發(fā)電實(shí)驗(yàn)，取材方便，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，用于物理教學(xué)能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提高物理教學(xué)的效果.本文詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，分析了實(shí)驗(yàn)過程并提出改進(jìn)措施，希望能為物理教師利用身邊的設(shè)備和材料開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)資源提供參考.