活動:水輪發電機模型

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學習重點:
1.   重力勢能
2.   重力下的運動
3.   能量守恆定律
4.   磁場和磁力
5.   電磁感應
6.   模型製作與實驗技巧
7.   自學能力


簡介:

水力發電站是很大型的項目。但是,你也可以利用一個簡單的水輪發電機模型,展示水力發電的基本原理。日常生活中常見的物件,例如膠樽、紙版、銅線、膠匙等也可以用來製造水輪發電機模型,如下圖所示。

 
一個小型的水輪發電機模型。   水輪發電機模型的轉子—定子部份。當水推動水輪時,磁石 (轉子) 便會繞線圈 (定子) 轉動,產生電流。

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要製造一個水輪發電機模型,我們必需具備電磁感應的知識。你會發現在物理課上學到的知識對你很有幫助。書本上或網上亦有很多關於製造水輪發電機模型的資料。試用你的知識和創意,製造一個高效率的水輪發電機模型吧!

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步驟:

設計和製造一個水輪發電機模型,並與你的同學所造的比較,看誰的模型能輸出最高的電壓


溫習物理原理…

要製造這個模型,你需要溫習有關電磁感應的原理:
當導電的線圈在磁場中運動時,便會產生感生電流 ﹔通過線圈的磁通量改變率高,感生電動勢便會較大。因此,感生電動勢可以藉以下的方法增加:

  • 增加水輪的轉動速率
  • 增加線圈的匝數
  • 增加磁場的強度
  • 把鐵芯放入線圈中以增加通過線圈的磁通量
  • 用更大的線圈以包圍更多的磁通量


設計…

學生可分為多組,每組四至五人。每組負責設計一個水輪發電機模型,以自來水作能源。除了電磁感應的原理之外,學生亦需要考慮其他會影響發電機效率的因素,例如,如何減低移動部份所受的摩擦力,或如何使水輪更有效地被水流轉動等。每組亦需決定,他們所設計的模型輸出的是交流電還是直流電。


製作…

書本上或網上有很多關於製造水輪發電機模型的資料。盡可能使用常見的物件。要用防水的物料製造模型接觸水的部份。以下的問題將有助你的設計:

  1. 模型輸出的是交流電還是直流電?
  2. 你想用現成的發電機模型,還是利用銅線和磁石等物料自製一個?
  3. 如果你想自製發電機,應如何繞上線圈?
  4. 磁石應如何放置,才能增加通過線圈的磁通量?
  5. 水應如何流入水輪,又應怎樣流出?水流能有效地轉動水輪嗎?
  6. 如何利用萬用表量度輸出的電壓?
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試用…

  1. 完成製造模型後,把模型連接至萬用電錶,準備量度輸出的電壓 (交流電或直流電)。
  2. 把模型放置於開啟的水龍頭之下一個固定的高度,利用萬用電錶量度輸出的電壓。
  3. 在這一部份的競賽中,得到最高輸出電壓的一組獲勝。


實驗…

  1. 把模型放置於水龍頭之下,並嘗試改變模型與水龍頭之間的距離。可使用膠喉導引水流至別處,以增加可變距離的範圍。
  2. 改變模型與水龍頭之間的距離,並記錄相應之輸出電壓。
  3. 模型與水龍頭之間的距離,代表真正的水力發電站的哪一個因素?
  4. 模型與水龍頭之間的距離,與輸出的電壓有甚麼關係?利用你所學的物理知識解釋這個關係。例如可考慮地球引力下的加速度,或碰撞時的動量等。你需要提出適當的假設,說明你的解釋是合理的。
  5. 然後,從小至大改變水的流量,並量度輸出的電壓。解釋箇中關係。
  6. 如果可能的話,改變以下各項以觀察輸出電壓的改變:
    • 磁場的強度
    • 線圈的匝數
    • 插入或移開鐵芯
    試解釋結果。


報告…

寫一份關於你所製作的水輪發電機模型的報告。在報告中,你應當

  • 討論你的設計特點,特別是使感生電動勢增加的方法,以及背後的原理;
  • 例出你在試用時所獲得的數據,以及你對結果的解釋;
  • 展示你對相關物理知識的理解,特別是在力學和電磁學方面。

老師可根據上述的重點為報告評分。最後,老師根據模型輸出電壓的數據,以及報告的評分,選出這次比賽的總冠軍。