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2 工程实践 设计和制作风力发电机
活动情境
风能取之不尽，用之不竭，是一种清洁的可再生能源，人们很早就用风车来抽水、磨面。如今，在沿海岛屿、草原牧区以及山区高原，风力发电已成为解决用电问题的重要途径。那么，让我们利用身边的材料一起设计和制作一台简易风力发电机吧！
活动目的
1. 通过设计和制作简易风力发电机，理解电磁感应原理及能量转换过程。
2. 探究风力发电机输出功率与风速的关系，提升运用控制变量法进行探究实践的能力。
3. 通过对技术产品进行迭代改进，树立科技创新意识。
活动准备
1. 知识储备：
（1）了解电磁感应原理。
（2）了解发电机结构和能量转化。
（3）观察现有的发电机模型内部结构，分析手摇发电手电筒的传动与发电方式。
2. 材料与工具准备：漆包线，强力磁铁（或小电动机中的磁铁），小电动机，小风扇叶片，废弃塑料瓶（或硬纸筒），剪刀，打孔器，灵敏电流表，发光二极管（LED灯珠），导线，转轴，轴套，刻度尺，热熔胶及热熔胶枪，吹风机等。
活动过程
一、设计并制作风力发电机
1. 明确任务。
利用提供的材料，设计并制作一台简易风力发电机，探究风力发电机输出功率与风速的关系。
2. 设计方案。
根据任务，分别选择合适的材料进行设计。在设计方案时思考：
（1）当风叶转动时，如何利用电磁感应现象产生电流？需要哪些核心部件？（2）哪些方式可以实现导体与磁场的相对运动？
利用现有材料设计出两种具体的制作方案，并将设计草图绘制在下框中。
方案A：
方案B：
3. 实施方案。
根据设计方案，逐步实施。
（1）制作风叶。使用小风扇叶片或将塑料瓶底部剪成叶片形状固定在轴套上，确保叶片角度对称。
（2）制作发电主体。
磁铁作为“定子”，线圈作为“转子”：直接利用小电动机，其内部磁铁固定于外壳（定子），线圈绕制在转子上。将小风扇叶片安装在电动机转轴上，输出端连接导线。
图5-6 磁铁作为“定子”，线圈作为“转子”的风力发电机模型
磁铁作为“转子”，线圈作为“定子”（需自行绕制定子线圈）：以塑料瓶（或硬纸筒）为骨架，用漆包线紧密缠绕200匝左右，两端留出引线并刮去外部绝缘漆，露出金属线。将强力磁铁（可多块黏合）固定于转轴，转轴穿过线圈中心，两端用轴套固定，确保磁铁在线圈内自由旋转且不会脱出。
图5-7 磁铁作为“转子”，线圈作为“定子”的风力发电机模型
（3）组装与固定。根据不同的方案，将发电机主体组装完毕，如有必要，用热熔胶将发电机主体固定在底座上，确保风叶转动顺畅。
4. 转动测试。
选择一种发电机组装方案，将发电机两输出端与灵敏电流表或发光二极管（LED灯珠）等连接进行测试，以不同的方式转动风叶，观察灵敏电流表指针的偏转情况或发光二极管（LED灯珠）的发光情况，填写下表。
表5-2 不同风叶转动方式情况记录表
5. 交流评价。
各小组根据评价量表进行评价和交流。
表5-3 自制风力发电机评价量表
活动情境
风能取之不尽，用之不竭，是一种清洁的可再生能源，人们很早就用风车来抽水、磨面。如今，在沿海岛屿、草原牧区以及山区高原，风力发电已成为解决用电问题的重要途径。那么，让我们利用身边的材料一起设计和制作一台简易风力发电机吧！
活动目的
1. 通过设计和制作简易风力发电机，理解电磁感应原理及能量转换过程。
2. 探究风力发电机输出功率与风速的关系，提升运用控制变量法进行探究实践的能力。
3. 通过对技术产品进行迭代改进，树立科技创新意识。
活动准备
1. 知识储备：
（1）了解电磁感应原理。
（2）了解发电机结构和能量转化。
（3）观察现有的发电机模型内部结构，分析手摇发电手电筒的传动与发电方式。
2. 材料与工具准备：漆包线，强力磁铁（或小电动机中的磁铁），小电动机，小风扇叶片，废弃塑料瓶（或硬纸筒），剪刀，打孔器，灵敏电流表，发光二极管（LED灯珠），导线，转轴，轴套，刻度尺，热熔胶及热熔胶枪，吹风机等。
活动过程
一、设计并制作风力发电机
1. 明确任务。
利用提供的材料，设计并制作一台简易风力发电机，探究风力发电机输出功率与风速的关系。
2. 设计方案。
根据任务，分别选择合适的材料进行设计。在设计方案时思考：
（1）当风叶转动时，如何利用电磁感应现象产生电流？需要哪些核心部件？（2）哪些方式可以实现导体与磁场的相对运动？
利用现有材料设计出两种具体的制作方案，并将设计草图绘制在下框中。
方案A：
方案B：
3. 实施方案。
根据设计方案，逐步实施。
（1）制作风叶。使用小风扇叶片或将塑料瓶底部剪成叶片形状固定在轴套上，确保叶片角度对称。
（2）制作发电主体。
磁铁作为“定子”，线圈作为“转子”：直接利用小电动机，其内部磁铁固定于外壳（定子），线圈绕制在转子上。将小风扇叶片安装在电动机转轴上，输出端连接导线。
图5-6 磁铁作为“定子”，线圈作为“转子”的风力发电机模型
磁铁作为“转子”，线圈作为“定子”（需自行绕制定子线圈）：以塑料瓶（或硬纸筒）为骨架，用漆包线紧密缠绕200匝左右，两端留出引线并刮去外部绝缘漆，露出金属线。将强力磁铁（可多块黏合）固定于转轴，转轴穿过线圈中心，两端用轴套固定，确保磁铁在线圈内自由旋转且不会脱出。
图5-7 磁铁作为“转子”，线圈作为“定子”的风力发电机模型
（3）组装与固定。根据不同的方案，将发电机主体组装完毕，如有必要，用热熔胶将发电机主体固定在底座上，确保风叶转动顺畅。
4. 转动测试。
选择一种发电机组装方案，将发电机两输出端与灵敏电流表或发光二极管（LED灯珠）等连接进行测试，以不同的方式转动风叶，观察灵敏电流表指针的偏转情况或发光二极管（LED灯珠）的发光情况，填写下表。
表5-2 不同风叶转动方式情况记录表
5. 交流评价。
各小组根据评价量表进行评价和交流。
表5-3 自制风力发电机评价量表
答案
解：
方案A设计（磁铁作为定子，线圈作为转子）
设计草图标注结构：小风扇叶片、小电动机、导线、灵敏电流表、支撑底座
设计说明：将小风扇叶片固定在小电动机的转轴上，小电动机外壳内置的强力磁铁作为固定定子，电动机内部绕有线圈的转子作为可转动部分；风叶受风力带动转轴旋转，转子上的线圈切割定子磁铁的磁感线产生感应电流，电动机的两个接线端通过导线外接灵敏电流表或LED灯珠，整体用热熔胶固定在废弃塑料瓶制作的底座上，保证风叶正对来流方向。
方案B设计（磁铁作为转子，线圈作为定子）
设计草图标注结构：小风扇叶片、转轴、强力磁铁、漆包线绕制线圈、硬纸筒骨架、轴套、引线、灵敏电流表
设计说明：以硬纸筒作为线圈骨架，用漆包线在筒身紧密缠绕200匝，两端留出引线并刮去表层绝缘漆，引线外接灵敏电流表；转轴穿过硬纸筒的中心空腔，转轴中段固定2块异名磁极相对的强力磁铁，转轴两端用轴套限位固定在硬纸筒的两个端面上，转轴向外伸出的一端固定小风扇叶片；风叶带动转轴上的磁铁在线圈空腔内旋转，静止的线圈相对旋转的磁场做切割磁感线运动，产生感应电流。
表5-2 不同风叶转动方式情况记录表
| 风叶转动方式 | 手快速拨动风叶转动 | 自然风驱动风叶转动 |
| ---- | ---- | ---- |
| 能量转换形式 | 人体化学能→机械能→电能 | 风能（机械能）→电能 |
| 适合用此方式发电的时机 | 无自然风的室内演示场景 | 户外有风的开阔场地场景 |
| 可否用这种方式长时间发电 | 不可以 | 风力稳定时可以长时间发电 |
表5-3 自制风力发电机评价量表（示例）
| 评价指标 | 评价内容 | 自评 | 互评 | 小结 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 结构 | (1)设计图各部分结构标注清晰(1分) | 1 | 1 | 本次制作的发电机转动顺畅，低风速下即可点亮LED灯，后续可通过加装尾翼实现自动调向、增加线圈匝数进一步提升发电效率 |
| 结构 | (2)转动部分与固定部分无摩擦卡顿现象(1分) | 1 | 1 | |
| 结构 | (3)实物结构与设计图对应(1分) | 1 | 1 | |
| 制作 | (4)发电机主体结构牢固，风叶转动平稳，无晃动(1分) | 1 | 1 | |
| 制作 | (5)有聚风或调向设计(1分) | 1 | 0.5 | |
| 制作 | (6)携带和演示方便(1分) | 1 | 1 | |
| 测试 | (7)在较弱风力下能启动(1分) | 1 | 1 | |
| 测试 | (8)启动时灵敏电流表指针偏转或能点亮发光二极管(LED灯珠)(1分) | 1 | 1 | |
| 交流 | (9)能倾听他人建议，对设计图进行修改、完善(1分) | 1 | 1 | |
| 交流 | (10)能清晰、有条理地介绍自制风力发电机的设计思路与制作过程(1分) | 1 | 1 | |
方案A设计（磁铁作为定子，线圈作为转子）
设计草图标注结构：小风扇叶片、小电动机、导线、灵敏电流表、支撑底座
设计说明：将小风扇叶片固定在小电动机的转轴上，小电动机外壳内置的强力磁铁作为固定定子，电动机内部绕有线圈的转子作为可转动部分；风叶受风力带动转轴旋转，转子上的线圈切割定子磁铁的磁感线产生感应电流，电动机的两个接线端通过导线外接灵敏电流表或LED灯珠，整体用热熔胶固定在废弃塑料瓶制作的底座上，保证风叶正对来流方向。
方案B设计（磁铁作为转子，线圈作为定子）
设计草图标注结构：小风扇叶片、转轴、强力磁铁、漆包线绕制线圈、硬纸筒骨架、轴套、引线、灵敏电流表
设计说明：以硬纸筒作为线圈骨架，用漆包线在筒身紧密缠绕200匝，两端留出引线并刮去表层绝缘漆，引线外接灵敏电流表；转轴穿过硬纸筒的中心空腔，转轴中段固定2块异名磁极相对的强力磁铁，转轴两端用轴套限位固定在硬纸筒的两个端面上，转轴向外伸出的一端固定小风扇叶片；风叶带动转轴上的磁铁在线圈空腔内旋转，静止的线圈相对旋转的磁场做切割磁感线运动，产生感应电流。
表5-2 不同风叶转动方式情况记录表
| 风叶转动方式 | 手快速拨动风叶转动 | 自然风驱动风叶转动 |
| ---- | ---- | ---- |
| 能量转换形式 | 人体化学能→机械能→电能 | 风能（机械能）→电能 |
| 适合用此方式发电的时机 | 无自然风的室内演示场景 | 户外有风的开阔场地场景 |
| 可否用这种方式长时间发电 | 不可以 | 风力稳定时可以长时间发电 |
表5-3 自制风力发电机评价量表（示例）
| 评价指标 | 评价内容 | 自评 | 互评 | 小结 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 结构 | (1)设计图各部分结构标注清晰(1分) | 1 | 1 | 本次制作的发电机转动顺畅，低风速下即可点亮LED灯，后续可通过加装尾翼实现自动调向、增加线圈匝数进一步提升发电效率 |
| 结构 | (2)转动部分与固定部分无摩擦卡顿现象(1分) | 1 | 1 | |
| 结构 | (3)实物结构与设计图对应(1分) | 1 | 1 | |
| 制作 | (4)发电机主体结构牢固，风叶转动平稳，无晃动(1分) | 1 | 1 | |
| 制作 | (5)有聚风或调向设计(1分) | 1 | 0.5 | |
| 制作 | (6)携带和演示方便(1分) | 1 | 1 | |
| 测试 | (7)在较弱风力下能启动(1分) | 1 | 1 | |
| 测试 | (8)启动时灵敏电流表指针偏转或能点亮发光二极管(LED灯珠)(1分) | 1 | 1 | |
| 交流 | (9)能倾听他人建议，对设计图进行修改、完善(1分) | 1 | 1 | |
| 交流 | (10)能清晰、有条理地介绍自制风力发电机的设计思路与制作过程(1分) | 1 | 1 | |
