綻放巴黎國際發明展的原創之花

譚迪熬

2018年5月中旬，來自常德芷蘭實驗學校的李貽曦同學，通過近兩年的努力發明的“簡易太陽能定量澆水器”，在2018年法國巴黎國際發明展上一舉獲得金獎。今天，我就將李貽曦同學這株“綻放巴黎國際發明展的原創之花”——簡易太陽能定量澆水器的發明經歷，寫出來與大家分享。

2016年暑假，爸爸媽媽帶著李貽曦同學去外地旅游，半個月后回來發現家里盆栽的花草都枯萎了，主要是因為那半個月天氣炎熱，家里沒人給花草澆水導致的。李貽曦同學想：可不可以發明一種自動澆水裝置，這樣在沒有人看管的情況下可以實現自動澆水，花草就不會因干旱而死呢？隨后通過調查，李貽曦同學發現這種情況許多家庭都曾遇到過。這更加激發了他要盡快發明盆栽花卉自動澆水裝置的欲望。

通過科學課程的學習，李貽曦同學知道植物在一天之中，對水的需求依據陽光的強弱而不同，早晚少，中午多，夜間、陰雨天則基本不需要水。李貽曦于是想：能不能利用太陽能的強弱與植物生長需水量變化規律相近這一現象，通過巧妙的結構設計，實現給花卉智能澆水呢？

通過上網搜集相關資料，李貽曦同學發現很多智能澆水設備設計得都比較復雜，需要通過電力的輔助來完成自動澆水，這不太適合家用，而利用太陽能是最環保且最安全的，也是最經濟的。通過請教學校科技輔導員張才友老師，并走訪當地花卉培育專家，又經過近三個月的周密思考后，李貽曦同學認為可以將太陽能的熱學原理與液體的力學原理結合起來，利用空氣的熱脹冷縮來提供動力，達到給花卉自動澆水的目的。白天，將太陽能集熱器正對陽光，集熱器吸收太陽熱量，容器內空氣受熱膨脹，氣壓高于大氣壓，在單向閥的作用下（與滴管相連的單向閥只能出不能進，與貯水桶相連的單向閥只能進不能出），水滴于花盆中，調節太陽能調節器，可控制水滴速度;夜間，集熱器溫度下降，容器內空氣收縮，氣壓低于大氣壓，在單向閥的作用下，貯水桶中的水被吸入集熱器中，為下一輪自動澆水做準備。

接著，李貽曦同學開始了他的方案設計、模型制作、實驗驗證等一系列發明過程。

【方案一】 將太陽能集熱器注入約三分之二的水后，正對陽光插入花盆中;集熱器吸收太陽熱量，容器內空氣受熱膨脹，氣壓高于大氣壓，水滴于花盆中。調節太陽能調節器，可控制水滴速度。

【方案二】 將下部的貯水容器注滿水，放在花盆旁;將太陽能集熱器正對陽光，集熱器吸收太陽熱量，容器內空氣受熱膨脹，氣壓高于大氣壓，水被壓出。調節太陽能調節器，可控制水滴速度。

【方案三】 將水注入貯水桶中，直到水位指示器滿水刻度線為止，并往太陽能集熱器中注入約三分之二的水，再將花卉種植在花盆中。白天，將太陽能集熱器正對陽光，集熱器吸收太陽熱量，容器內空氣受熱膨脹，氣壓高于大氣壓，在單向閥的作用下（與滴管相連的單向閥只能出不能進，與貯水桶相連的單向閥只能進不能出），水滴于花盆中，若旋轉太陽能集熱器，改變太陽能集熱器面向太陽的黑白比例，可控制水滴速度;夜間，太陽能集熱器溫度下降，容器內空氣收縮，氣壓低于大氣壓，在單向閥的作用下，貯水桶中被吸入太陽能集熱器中，為下一輪自動澆水做準備。

【實驗一】

1. 實驗目的：驗證方案一能否實現自動澆水。

2. 實驗器材：太陽能集熱器（依據黑色吸熱原理全部漆成黑色），太陽能調節器（依據白色反射原理全部漆成白色），帶錐形插桿的滴管，塑料杯，電子秤，計時器，照度計。

3. 實驗記錄：（時間單位為分鐘，重量單位為克，光照度單位為lx）

4. 數據分析：按方案一設計進行實驗能實現自動澆水功能。滴管出水速度與光照度有關，光照越強，水滴速度越快;顯然，通過太陽能調節器控制光照度完全可以調節水滴速度。在2小時35分鐘的時間內，出水總重量為290.3克。但一個500克容量的太陽能集熱器，只能滿足4個小時左右的滴灌需求，即使通過太陽能調節器調節水滴速度，也只能滿足兩天左右的滴灌需求。

【實驗二】

1. 實驗目的：驗證方案二能否實現自動澆水。

2. 實驗器材：太陽能集熱器（依據黑色吸熱原理全部漆成黑色），太陽能調節器（依據白色反射原理全部漆成白色），貯水容器，滴管，塑料杯，空氣導管，電子秤，計時器，照度計。

3. 實驗記錄：（時間單位為分鐘，重量單位為克，光照度單位為lx）

4. 數據分析：按方案二設計進行實驗不能實現自動澆水功能。在4小時30分鐘的時間內，無論光照度怎樣變化，均不能使貯水桶的水滴出。其原因在于太陽能量有限，空氣受熱膨脹產生的力，不足以讓水克服重力及管道的阻力從出水口滴出。經進一步實驗研究，發現只有太陽能集熱器高于出水口時，在太陽能的作用下，才有水從滴管處滴出。

【實驗三】

1. 實驗目的：驗證方案三能否實現自動澆水。

2. 實驗器材：太陽能集熱器（依據黑色吸熱與白色反射原理一半漆成黑色，一半漆成白色），帶單向閥的滴管，帶單向閥的進水管，水位指示器，溢水管，貯水桶及套在貯水桶內的花盆，塑料杯，電子秤，計時器，照度計。

3. 實驗記錄：（時間單位為分鐘，重量單位為克，光照度單位為lx）

4. 數據分析：按方案三設計進行實驗能實現自動澆水功能。滴管出水速度與光照度有關，光照越強，滴水速度越快。顯然，通過旋轉太陽能集熱器黑白比例控制光照度完全可以調節滴水速度。在3小時內，出水總重量為258.6克，當集熱器中預裝的300克水滴完后，出水口不再滴水，可實現定量澆水。

1. 實驗目的：驗證方案三能否實現自動吸水。

2. 實驗器材：太陽能集熱器（依據黑色吸熱與白色反射原理一半漆成黑色，一半漆成白色），帶單向閥的滴管，帶單向閥的進水管，水位指示器，溢水管，貯水桶及套在貯水桶內的花盆，塑料杯，電子秤，計時器，照度計。

3. 實驗記錄：（時間單位為分鐘，重量單位為克，溫度單位為攝氏度）

4. 數據分析：按方案三設計進行實驗能實現自動吸水功能。吸水多少與環境溫度有關，溫度越低，吸水越多。在4小時30分鐘內，吸水總重量為103.4克，一晚按9小時計算，能吸水206.8克，可基本滿足第二天的澆水需求。

李貽曦同學通過實驗發現，方案一雖然成功，但由于其存水量太少，只能完成一次澆花的任務，無法滿足家中長期無人時的自動澆水需求。方案二改進了方案一存水量不足的缺點，增加了貯水裝置，可以保證多次澆水，但由于空氣膨脹壓力不足，無法將貯水自動壓上來，因此失敗。方案三在方案二的基礎上進行了改進：A.采用方案一的設計，將太陽能集熱器置于滴管出水口的上方，提高水壓;B.增加了兩個單向閥，解決了吸水問題;C.將貯水裝置與花盆相結合，對花盆中多余的水進行回收并循環利用，解決了存水不足的問題，基本達到了預定的研究目標。

隨后，李貽曦同學在張才友老師的指導下，做了進一步完善。原因是方案三雖然完成了預定的研究目標，但其太陽能集熱器的安裝位置影響到植物的生長，在外觀美感上也有所欠缺。他在完善后設計出了一種環形太陽能集熱器，安裝在花盆口沿的上方，一邊黑，一邊白。這樣，即不影響植物的生長，又增加了花盆的美感。

2018年4月底，通過層層遴選，李貽曦同學這款富有原創性的發明作品，隨著中國發明協會代表團走上了法國巴黎國際發明展的大舞臺。作品一經展出，就受到綠色、環保意識極強的巴黎市民追捧，紛紛掏錢想要購買！

國際評委一致認為：李貽曦同學發明的簡易太陽能定量澆水器，顛覆了傳統自動澆花的概念，它利用太陽能的強弱與植物生長需水量變化相近這一規律，利用不同顏色對太陽能吸收能力的差別，依靠空氣熱脹冷縮形成的動力，實現按需澆水功能;巧妙應用單向閥原理，并將貯水桶與花盆合二為一，實現余水收集、夜間吸水、白天澆水的功能，為花卉護理提供了一項原創性的新作品。

這真是：發明真諦是簡單，原創之花稱豪強。勇奪巴黎金牌獎，中國少年帥兒郎！

（編輯 白 鳥）