利用風力發電模型實現多種形式能量的轉化

齊楠+陳欣+汪丹丹

摘要：能量轉化是中學階段的重要內容，兩種形式能量間的轉化是常見情況。本實驗中將風力發電與電化學相聯系，利用傳感器測量電路中的電流、電壓，現象與數據來說明風能、機械能、電能、化學能之間的轉化。

關鍵詞：風力發電；電解；能量轉化

文章編號：1008-0546（2017）08-0085-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.029

能量的轉化是中學階段的重要內容，物理中學習了將機械能轉化為電能；化學中學習原電池與電解池，實現化學能與電能的相互轉化，本實驗利用風力發電產生的電作電源，電解硫酸銅溶液，實現了風能、機械能、電能與化學能的轉化。實驗將物理、化學兩學科相融合，可以讓學生真切感受到能量的轉化，加深對知識的理解。

一、實驗原理

風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，將風能轉換為機械能，發電機與風車轉軸相連，進一步將機械能轉化為電能，總的來說是將風能轉化為電能，扇葉轉動越快，產生的電壓越大。實驗中用電風扇作為風源，產生風能。

以風力發電機作電源，銅片做陽極，鉛筆芯（或鐵釘）做陰極，電解硫酸銅溶液。陰極上的Cu2+放電生成Cu，陽極銅片失去電子，生成Cu2+進入溶液，反應方程式如下：

為了說明鐵釘作陰極時，鐵釘上生成的銅主要是由電化學反應產生的，而不是直接的置換反應，展開對照實驗，同時將與電源負極相連的鐵釘、獨立的鐵釘放入硫酸銅溶液中，對比實驗現象；此外，用惰性的鉛筆芯作陰極，重復實驗。

二、實驗藥品與儀器

實驗藥品：硫酸銅溶液、鐵釘、鉛筆芯；

實驗儀器：Vernier風力發電模型、Vernier電流傳感器、Vernier雙差電壓傳感器、計算機、鱷魚夾、燒杯、電風扇。

三、實驗過程

（1） 組裝風力發電模型，葉片傾斜角度為20°左右。

（2）將電流傳感器、電壓傳感器、數據采集器、計算機相連。

（3）將風力發電機兩極分別與銅片、鐵釘相連；再將雙差電壓傳感器兩極與發電機兩極相連，并聯入電路；電流傳感器串聯入電路。

（4）調整電風扇位置，使兩風扇輪轂中心相對，距離為50cm，并清理周圍障礙物；打開電風扇，等待30s，使發電風扇勻速轉動。

（5）將連接好的銅片、鐵釘放入硫酸銅溶液，構成閉合回路，如圖1，2；同時將一根鐵釘放入另一個裝有硫酸銅的燒杯中。

（6）打開數據采集軟件，點擊“采集”，觀察陰陽兩極的變化，120s后停止采集。重復采集三組數據。

（7）將鐵釘換為鉛筆芯，重復試驗。

四、實驗分析

1. 實驗現象分析

作陰極的鐵釘和獨立的鐵釘表面均有紅色物質產生，但是相同時間內，陰極鐵釘上的紅色物質更多。用鉛筆芯做陰極時，可以明顯看到其鍍上了紅色的銅，如圖3，說明確實發生了電解反應，Cu2+ 在陰極放電，生成銅單質。

2. 實驗數據分析

在軟件中，點擊“統計”工具，即可得到電解過程中電流、電壓的平均值、標準差等，如圖4。

表1中呈現的數據是鐵釘作陰極時，電鍍過程中電路中的電流與電壓值，可以看出，三次測量的平均電流為0.049A左右，平均電壓為1.2V，電壓、電流值再次證明溶液中的離子受到電場的作用，鐵釘表面產生的銅單質是由電解產生的。電流和電壓的標準差都較小，說明風力發電產生的電壓比較穩定。

五、實驗結論

利用電壓傳感器測量了電路中的電壓為1.2V，可以證明風力發電模型將風能轉化為機械能，進一步轉化為電能，此外，該電能可以進一步利用，電解電解質溶液，將電能轉化為化學能，本實驗中實現了多種形式能量的連續轉化。

參考文獻

[1] http：//www.vernier.com/