溫差發(fā)電實驗的設計與探究*

張聲遙 柳福提 曾志強 李建華 何 希 余 慧

(宜賓學院理學部物理學院 四川 宜賓 644000)

物理教學過程中要讓學生逐漸形成適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任的核心素養(yǎng)[1]，物理實驗對培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)具有不可替代的作用.在物理實驗設計與探究中，教師要充分挖掘?qū)嶒炘谂囵B(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題等方面的潛在價值[2]，它不僅能極大地激發(fā)學生學習的興趣，還能很好地促進學生物理學科核心素養(yǎng)的達成，從而提高教學效果[3,4].利用身邊用品和材料來設計現(xiàn)象明顯的實驗，增加學生親歷動手做實驗的機會，是培養(yǎng)學生實踐與創(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計一個溫差發(fā)電實驗，具有成本低廉、操作簡單安全、實驗教學效果較好等優(yōu)點，希望能為物理教師開發(fā)實驗教學資源提供一定的參考.

1 實驗原理

作為本文中溫差發(fā)電實驗設計核心部件的制冷片，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，表面覆蓋一層陶瓷，從內(nèi)部引出正負兩根導線，形狀呈長方形，廣泛應用于空調(diào)、凈水器等家用電器中.當在兩根導線上施加一定的電壓時，制冷片會出現(xiàn)一個端面吸熱、另一個端面放熱的現(xiàn)象.與吸熱端面接觸的物體溫度會降低，從而起到降溫制冷的作用，其物理原理實質(zhì)上就是珀爾貼(Peltire)效應[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熱源接觸，吸熱端面與低溫熱源接觸，則制冷片的導線兩端會輸出一定的電壓，這種溫差發(fā)電原理實質(zhì)為塞貝克(Seebeck)效應[5～7].

圖1 制冷片

制冷片的基本單元是熱電偶，是由一個P型半導體和一個N型半導體平行放置，一端用導體連接，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，將連接端與高溫熱源接觸(heat source)成為熱端，另一端(開路)與低溫熱源接觸(cool source)成為冷端，從而使得兩個端面之間保持一定的溫度差.眾所周知，半導體中的載流子會從溫度高的地方擴散到溫度低的地方.由于P型半導體中的載流子是正電荷，而N型半導體中的載流子是負電荷，故兩半導體在冷端會產(chǎn)生一個電勢差，如果把它連入電路，就會在回路中產(chǎn)生電流.熱電偶兩端的電勢差與兩個端面之間的溫度差成正比[8]，數(shù)學表達式為

ε=αpn(Th-Tc)

(1)

其中ε是冷端兩半導體間的電勢差，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，就需要增加兩個端面的溫度差.

2 實驗材料

實驗設計與探究所用的材料有：制冷片,蠟燭或酒精燈(高溫熱源),導熱板,散熱器,指針式電流表和電壓表,發(fā)光二極管,接線器,導線,冰塊(低溫熱源).

3 實驗設計

我們設計的溫差發(fā)電實驗結(jié)構(gòu)如圖3所示.首先把一個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熱膏以利于熱的傳導.其次，在制冷片上面放置一塊長方形的金屬導熱板，板的一端與制冷片的高溫端面接觸，另一端與熱源接觸.當熱源對導熱板的一端進行加熱時，熱量會沿著導熱板流到制冷片的上端面，再經(jīng)過制冷片傳導到散熱器上，最后散失到空氣中.

圖3 溫差發(fā)電實驗裝置實物圖

根據(jù)熱傳導原理，熱流是由溫度梯度所引起的，故在制冷片的上下兩個端面必然會存在溫度差，該溫度差會在制冷片的兩個導線上產(chǎn)生電動勢.如果讓制冷片的兩根引出導線與發(fā)光二極管的正負極相連接，二極管將會發(fā)光.實驗時，加熱金屬板將會直觀地看到二極管發(fā)光的現(xiàn)象，以此來創(chuàng)設物理學習情境與探究任務，激發(fā)學生極大的求知欲，對培養(yǎng)學生物理探究能力與科學思維具有重要意義.

在上述實驗現(xiàn)象的基礎上，可以把制冷片與阻值比較小的電阻連接，同時串聯(lián)一個指針式電流表或并聯(lián)一個指針式電壓表.在用蠟燭或酒精燈對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慢慢偏轉(zhuǎn)，直到熱流穩(wěn)定以后，指針會在某個刻度附近穩(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 實驗討論

在實驗時如果只用一個制冷片，會發(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，發(fā)電片上下端面溫差較大，但隨著熱流逐漸穩(wěn)定，溫差將會減小，所以二極管只能亮一短暫的時間，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，其長度會不斷減小，火焰離導熱板距離越來越遠，導致熱流減小.第三，導熱板表面會因為長時間灼燒而產(chǎn)生氧化層，使熱阻變大，阻礙熱量的傳導.通過以上分析，為保證穩(wěn)定的實驗效果，可將兩個發(fā)電片串聯(lián)使用，如圖4所示.兩個串聯(lián)的發(fā)電片可以提供足夠的功率和電壓來啟動二極管，保證實驗可以取得較好的穩(wěn)定效果.

圖4 在實驗中將兩個溫差發(fā)電片串聯(lián)使用

還有一種改進實驗效果的方法是利用冰塊作為低溫熱源.從前面對制冷片的分析可知，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.在此實驗中，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，影響實驗效果.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，增強實驗效果.另外，還可以創(chuàng)設任務，讓學生通過實驗探究熱轉(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)學生實踐創(chuàng)新能力.筆者運用這個實驗設計與探究方案進行了教學嘗試，實踐表明：在教學過程中，學生對此溫差發(fā)電實驗的物理機制進行了深入的討論，并提出了實驗改進措施，教學效果非常好.

5 總結(jié)

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想，本文以塞貝克效應為物理基礎，用制冷片作為核心部件，設計以蠟燭為熱源的發(fā)電實驗，取材方便，成本低廉，操作簡單，現(xiàn)象明顯，用于物理教學能有效激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)，提高物理教學的效果.本文詳細介紹了該實驗的設計方案，分析了實驗過程并提出改進措施，希望能為物理教師利用身邊的設備和材料開發(fā)物理實驗資源提供參考.