本發(fā)明涉及教具技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置。
背景技術(shù)：
能量轉(zhuǎn)化是由邁爾于1853年提出的，應(yīng)用學(xué)科是物理。各種能量(例如機械能、內(nèi)能、光能、電能等)之間在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明的發(fā)明人在長期研究過程中發(fā)現(xiàn)，目前物理課本中在講述能量轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識時，只是在教材中列舉了“能量轉(zhuǎn)化”實驗，例如水電站等，對于學(xué)生來說過于抽象，難以理解。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置，能夠直觀地反映能量轉(zhuǎn)化。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置，所述演示裝置包括：透明容器，用于容納液體，所述透明容器包括第一出口；葉片組件，包括可旋轉(zhuǎn)葉片，所述可旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)置在與所述第一出口相對應(yīng)的位置；發(fā)電組件，與所述葉片組件連接；聚光組件，用于將外界太陽光線匯聚為第一光束，使所述第一光束照射至所述透明容器中的所述液體上；當(dāng)所述液體在所述第一光束的照射下被加熱至沸騰，變成熱蒸汽時，所述熱蒸汽從所述第一出口逸出，使所述第一出口周圍氣體受熱膨脹并向上運動，進(jìn)而驅(qū)動所述可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動，所述可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動時進(jìn)而帶動所述發(fā)電組件發(fā)電。
本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明所提供的教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置包括透明容器、葉片組件、發(fā)電組件和聚光組件，當(dāng)透明容器中的液體在聚光組件匯聚的第一光束的照射下被加熱至沸騰并變成熱蒸汽時(該過程為太陽能轉(zhuǎn)化為熱能)，熱蒸汽從透明容器的第一出口逸出，使得第一出口周圍氣體受熱膨脹并向上運動，進(jìn)而驅(qū)動葉片組件的可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動(該過程為熱能轉(zhuǎn)化為機械能)，可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動時進(jìn)而帶動發(fā)電組件發(fā)電(該過程為機械能轉(zhuǎn)化為電能)；通過上述方式，可以直觀的反應(yīng)太陽能-熱能-機械能-電能的轉(zhuǎn)化，實驗現(xiàn)象明顯，且層次分明，操作便捷。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。其中：
圖1是本發(fā)明教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性的勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，該演示裝置包括：透明容器10、葉片組件12、發(fā)電組件14。
具體地，透明容器10，用于容納液體，透明容器10包括第一出口100；在一個應(yīng)用場景中，透明容器10可以是平底燒瓶、錐形瓶等能夠直接放置在載物臺上而無需額外固定裝置的容器，在其他應(yīng)用場景中，透明容器10也可以是圓底燒瓶等需要額外固定裝置將其位置固定在載物臺上的容器，本發(fā)明對此不作限定。在本實施例中，透明容器10中所容納的液體可以是水或者其他等對人體無毒害的液體；透明容器10包括第一出口100，當(dāng)透明容器10中的液體受熱變成熱蒸汽時，該熱蒸汽從第一出口100逸出，在其他實施例中，透明容器10可以包括其他出口，在演示過程中，其他出口可以封閉或者開放。
葉片組件12包括可旋轉(zhuǎn)葉片120，在其他實施例中，葉片組件12還包括與可旋轉(zhuǎn)葉片120連接的桿部122，用于調(diào)整和固定可旋轉(zhuǎn)葉片120的位置；其中，可旋轉(zhuǎn)葉片120的葉片個數(shù)可以是1個、2個、3個等，其形狀可以是任意曲線型或者直線型等，其材質(zhì)可以是金屬或者塑料等，本發(fā)明對此不作限定。在一個實施方式中，可旋轉(zhuǎn)葉片120設(shè)置在與第一出口100相對應(yīng)的位置，當(dāng)熱蒸汽從第一出口100逃逸時，使第一出口100周圍氣體受熱膨脹并向上運動，可以驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)葉片120旋轉(zhuǎn)；為盡可能使熱蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為可旋轉(zhuǎn)葉片120的機械能，本發(fā)明所提供的演示裝置還包括蒸汽管道18，蒸汽管道18的一端與透明容器10的第一出口100連接，蒸汽管道18的另一端與可旋轉(zhuǎn)葉片120的位置對應(yīng)；在一個應(yīng)用場景中，蒸汽管道18的另一端可直接正對可旋轉(zhuǎn)葉片120的前方，在另一個應(yīng)用場景中，蒸汽管道18的另一端也可位于可旋轉(zhuǎn)葉片120的下方且朝向可旋轉(zhuǎn)葉片120的位置(如圖1所示)；在某些情況下，蒸汽管道18材質(zhì)為塑料、橡膠等，為了方便其與第一出口100連接，還可通過一轉(zhuǎn)接頭等連接部件將第一出口100與蒸汽管道18的一端連接。
發(fā)電組件14，與葉片組件12連接；在一個實施方式中，發(fā)電組件14包括發(fā)電機140和與發(fā)電機140連接的可發(fā)光部件142(例如燈泡等)，發(fā)電機140與可旋轉(zhuǎn)葉片120連接，可旋轉(zhuǎn)葉片120轉(zhuǎn)動時，可帶動發(fā)電機140發(fā)電，進(jìn)而驅(qū)動可發(fā)光部件142發(fā)光；在一個應(yīng)用場景中，如圖1所示，發(fā)電機140與葉片組件12的桿部122是各自獨立的，在另一個應(yīng)用場景中，也可將發(fā)電機140與桿部122整合到一起作為一個整體，以節(jié)約空間。
聚光組件16，用于將外界太陽光線a匯聚為第一光束b，使第一光束b照射至透明容器10中的液體上，當(dāng)液體在第一光束b的照射下被加熱至沸騰，變成熱蒸汽時(該過程為太陽能轉(zhuǎn)化為熱能)，熱蒸汽從第一出口100逸出，使第一出口100周圍氣體受熱膨脹并向上運動，進(jìn)而驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)葉片120轉(zhuǎn)動(該過程為熱能轉(zhuǎn)化為機械能)，可旋轉(zhuǎn)葉片120轉(zhuǎn)動時進(jìn)而帶動發(fā)電組件14發(fā)電(該過程為機械能轉(zhuǎn)化為電能)，通過上述演示裝置，可以直觀的反應(yīng)太陽能-熱能-機械能-電能的轉(zhuǎn)化，實驗現(xiàn)象明顯，且層次分明，操作便捷。在一個應(yīng)用場景中，如圖1所示，聚光組件16包括凸透鏡160和用于固定凸透鏡的支架162，其中，本發(fā)明中對于凸透鏡160的尺寸大小無限制，例如凸透鏡160的直徑為80mm、100mm、120mm等，凸透鏡160可繞支架162調(diào)節(jié)位置，以使得經(jīng)凸透鏡162匯聚的第一光束b照射至透明容器10中的液體。
為加速使聚光組件16匯聚的第一光束b使透明容器10中的液體沸騰，本發(fā)明所提供的演示教具還包括傳熱組件11，傳熱組件11放置在透明容器10內(nèi)，聚光組件16以傳熱組件11為焦平面，即當(dāng)聚光組件16包括凸透鏡160時，凸透鏡160的焦點位于傳熱組件11上，傳熱組件11在第一光束b的照射下快速升溫，進(jìn)而將傳熱組件11的熱能傳遞至液體；在一個實施方式中，傳熱組件11為金屬片，例如鋁、銅等，金屬片位于透明容器10的底部，與水平面平行或者有一定角度放置，本發(fā)明對此不作限定；在另一個實施方式中，上述金屬片外表面為黑色，可以進(jìn)一步加速金屬片對第一光束b熱能的吸收；另外，在本實施例中，金屬片還能起到防止透明容器10中液體爆沸的目的。
請繼續(xù)參閱圖1，為盡量減少外部空氣氣流對本發(fā)明演示裝置的演示效果的影響，請繼續(xù)參閱圖1，本發(fā)明所提供的演示裝置還包括：基臺13和腔體15。
其中，基臺13用于支撐演示裝置，在其他實施例中，演示裝置也可不包括基臺13，基臺13可以是外部任一平臺；為使盡可能多的學(xué)生直觀的看到本發(fā)明所提供的演示裝置，在一個應(yīng)用場景中，上述基臺13包括承載部130和固定部132，承載部130用于承載演示裝置，承載部130繞固定部132旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方式可以為水平方向上的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得處于不同方位的學(xué)生都可以看到演示裝置。
腔體15設(shè)置在基臺13上，且罩在透明容器10和葉片組件12的外部，以使透明容器10和葉片組件12位于腔體15和基臺13形成的封閉空間內(nèi)，發(fā)電組件14可以在此封閉空間內(nèi)部或者在此封閉空間外部。在一個實施方式中，腔體15可以包括5個側(cè)壁，與基板13接觸的一面無側(cè)壁；在另一個實施方式中，腔體15可以包括6個側(cè)壁，其中一個側(cè)壁可移動，以使得透明容器10和葉片組件12等能放置到腔體15中；在其他實施方式中，腔體15的結(jié)構(gòu)也可為其他，本發(fā)明對此不作限定。當(dāng)聚焦組件16位于腔體15和基臺13形成的封閉空間的外部時，上述任一實施方式中的腔體15包括第一側(cè)面150，第一側(cè)面150使第一光束b可以照射至透明容器10中的液體上；為防止外部光線直射的影響，上述實施例中的第一側(cè)面150包括不透光區(qū)域150a和透光區(qū)域150b，透光區(qū)域150b使第一光束b可以照射至透明容器10中的液體上，當(dāng)透明容器10中放置有傳熱組件11(例如，金屬片)時，第一光束b從第一側(cè)面150的透光區(qū)域150b透過，進(jìn)而照射到傳熱組件11(例如，金屬片)上；在一個應(yīng)用場景中，上述腔體15的第一側(cè)面150材質(zhì)透明，第一側(cè)面150的不透光區(qū)域150a的形成可以是涂敷一層不透光物質(zhì)或者直接貼附一層不透光材料；在另一個應(yīng)用場景中，上述腔體15的第一側(cè)面150的材質(zhì)為不透明，透光區(qū)域150可以是在第一側(cè)面150上形成的孔洞。另外，上述任一實施例中的腔體15還包括頂面152，頂面152設(shè)置有出氣口154，頂面152除出氣口154外，頂面152的其他區(qū)域均不透光；在一個應(yīng)用場景中，上述腔體15的頂面152材質(zhì)透明，頂面152的不透光區(qū)域的形成可以是涂敷一層不透光物質(zhì)或者直接貼附一層不透光材料；在另一個應(yīng)用場景中，上述腔體15的頂面152的材質(zhì)不透明。為不影響觀察效果，腔體15的其他幾個側(cè)面可以作為觀察面，其他幾個側(cè)面為透明材質(zhì)。
請繼續(xù)參閱圖1，本發(fā)明所提供的演示裝置還包括隔熱組件17，隔熱組件17位于透明容器10下方，用于隔絕透明容器10中液體熱量對外部散發(fā)，可以防止透明容器10中液體熱量對基臺13產(chǎn)生的熱損傷；在一個實施方式中，上述隔熱組件17可以是隔熱墊，或者是基板13上涂敷的一層隔熱材料。
下面將簡單介紹一下本發(fā)明所提供的教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置的工作流程。
a、太陽能轉(zhuǎn)化成熱能階段：調(diào)整凸透鏡160的位置，以使得凸透鏡160匯聚的第一光束b照射至透明容器10中的傳熱組件11上；透明容器10中的液體被加熱至沸騰，直至全部變成熱蒸汽逸出；此階段所需的熱量為液體從初始溫度至沸騰溫度吸收的熱量與變成熱蒸汽氣化所需的熱量之和；假設(shè)此時液體為質(zhì)量為mkg的水，初始溫度t1為25℃，沸騰溫度t2為100℃，水的比熱容c為4.2*103j/kg℃，1kg100℃的水變成水蒸氣所需吸收的熱量為2258.2kj，則此階段所需熱量q＝(c*m*(t2-t1))+2258.2*103*m。
b、熱能轉(zhuǎn)化成機械能階段：熱蒸汽從第一出口100經(jīng)蒸汽管道18冒出，出口處周圍空氣受熱后體積膨脹，空氣密度變小，向上運動，進(jìn)而帶動可旋轉(zhuǎn)葉片120轉(zhuǎn)動。
c、機械能轉(zhuǎn)化成電能階段：可旋轉(zhuǎn)葉片120帶動發(fā)電機140發(fā)電，進(jìn)而使可發(fā)光部件142發(fā)光；假設(shè)此時可發(fā)光部件142為燈泡，其功率為p，發(fā)光時間為t，則電能w＝p*t；通過上述電能和熱能的樹值，還可以計算出此過程中的能量轉(zhuǎn)化效率。
總而言之，區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明所提供的教學(xué)用能量轉(zhuǎn)化演示裝置包括透明容器、葉片組件、發(fā)電組件和聚光組件，當(dāng)透明容器中的液體在聚光組件匯聚的第一光束的照射下被加熱至沸騰并變成熱蒸汽時(該過程為太陽能轉(zhuǎn)化為熱能)，熱蒸汽從透明容器的第一出口逸出，使得第一出口周圍氣體受熱膨脹并向上運動，進(jìn)而驅(qū)動葉片組件的可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動(該過程為熱能轉(zhuǎn)化為機械能)，可旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動時進(jìn)而帶動發(fā)電組件發(fā)電(該過程為機械能轉(zhuǎn)化為電能)；通過上述方式，可以直觀的反應(yīng)太陽能-熱能-機械能-電能的轉(zhuǎn)化，實驗現(xiàn)象明顯，且層次分明，操作便捷。
以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。