创意运动发电小制作

小组成员：王宇豪 田李明 徐笑楠

指导老师：李向红 李明

一、研究背景

能源危机已成为21世纪，世界所面临的一大问题，我国能源储藏量虽位居前列，但人均能源占有量和消费量远低于世界人均水平。并且我国能源资源分布不均，开发较难，且结构单一，多依赖于化石能源。所以，解决能源紧张这一问题成为我国乃至世界各国的一大任务。

现在解决这一问题的办法就是“开源节流”。“开源”即开发绿色，环保，可再生的新型能源，“节流”指提高目前生活中，对于各种能源的利用率。

但是，对于开源而言，目前被人们所看好的几种新能源的开发都遇到了瓶颈：太阳能，虽然较受人们的欢迎且不受地形等限制，但一是转化效率低；二是太阳能电池板在制造过程中也存在环境污染的问题；水力发电，风力发电虽绿色环保，但受地形影响太大：核能虽然把最被看好，但在可控核聚变实现之前，不仅发电过程容易出现安全问题，而且同样也受到铀矿等资源的限制。

所以在新能源真正被开发之前，提高能源利用率是最可行的解决能源危机的办法。

对我们中学生而言，大谈提高燃油机效率并不现实，所以可以从身边小事入手，利用身边一些被忽视的能源来解决一些问题。

例如：人们在走路过程中，脚底会与地面产生约为五公分的落差，这样的重力势能并没有被利用起来。如果我们可以对这种被人们所忽视的能量加以运用，在人们平时走路或者运动时收集这种能量，制成一种运动发电鞋，我们就可以在户外给手机充电或是储备电源以供急需。

二、研究目的

制作运动发电鞋模型，利用人们在走路过程中产生的能量，转化为电能，达到给小灯泡提供电源甚至给手机充电的目的。

这种运动发电鞋在生活中不仅能方便人们的日常生活，鼓励更多人多走动，有益于健康。而且可以开拓我们学生的物理思维，增强动手能力，并学以致用。同样可以增强团队协作能力和分工意识，增加师生之间的合作交流。也可以帮助人们开拓缓解能源紧张问题的视野。

三、研究意义

我们生活在电的时代，电能的广泛使用促使电能的社会需求日趋紧张．节约能源，提高能源利用率是一个在国民经济中具有重大战略意义的问题．改造和淘汰陈旧设备、采用高压输电是节约能源的根本措施．研究推广节能技术项目，其节能潜力也是很大的．进行运动发电的实验及发明，可以丰富我们的课外知识，增强我们的动手能力，而且可以回收人们生活中被忽视的能源，方便人们的日常生活。同样为解决能源问题奉献上一份微薄的力量。

四、实验过程

（1）原理：利用人们在走路时，脚会与地面产生五公分左右的落差，进而利用这一重力势能，按压上板，带动双层齿轮在齿条上转动。再有双层齿轮中的大齿轮带动小电机中的转子（磁铁）在定子（线圈）中旋转，做切割磁感线运动，进而产生电流，是小电灯泡发光或者给电池充电。

（2）器材：

1.硬木板2块 7.多用电表1个

2.小电机2个 8.电烙铁1把

3.电池1个 9.热熔胶，502胶水

4.弹簧2个 10.小刀一把

5.小电灯泡1个 11.打火机一个

6.双层齿轮2个 12.导线，螺丝若干

五、实验过程

与指导老师和通组组员确定了课题及其原理后，通过对于实验原理的深入思考，我们准备做一个“运动发电鞋”，并准备分成三个阶段来进行实验。

（一）尝试性实验

我们课题组一行四人准备好实验器材（两个按压式手电，一把小刀，一把螺丝刀，一个打火机及一瓶胶水），来到实验地点，进行一次尝试性实验。我们大家决定先拆开手电，了解其内部构造，进行研究并探讨如何按照我们的目标进行安装。

在使用螺丝刀拆开手电后，我们得以看见了它的小发电机的内部构造：先由一条形齿轮受力后下压，带动一双层齿轮的大齿轮，再由双层齿轮的小齿轮带动电机转子（磁铁）在定子（线圈）旋转，做切割磁感线运动进而产生电流，使得小灯泡发光。

在了解了这些之后，我们课题组开始讨论如何将小发电机安装在两垫板（模拟鞋垫）之间。一位同学提出，将小电机装于垫板侧面，板与板之间用弹簧提供使条状齿轮复位的力；另一位同学则提出，使用两个较硬木块将小发电机加装在中间。同学们就这两种方案进行了讨论。

这是负责继续研究小发电机构造的同学提出了一个非常严重的问题：经拆解后，小发电机在使用过程中，双层齿轮会不断跳动，使得整个发电结构不稳。在较长时间讨论原因无果后，那位同学有提出，把手电装回原样后，用加热后的小刀切割开塑料壳，观察一下原状态下小电机的工作状态。

切割完毕后，我们观察到，外壳内部的固定用的凸起刚好顶住了齿轮，使其在卡好的位置转动，正常发电。

了解问题出现原因及解决办法后，我们继续讨论如何组装小发电机，最后三人同意在垫板侧面加装小发电机。

这时天色已晚，我们便结束了这次尝试性实验。

 日期 2017.11.03

（二）第一次组装

这天，我们课题组准备好了材料（两片垫板，两个小发电机，一把螺丝刀，一根热熔胶，一个打火机，一管502胶水），向老师请下假，来到实验室进行运动发电鞋的组装。

我们先尝试着在垫板侧面打孔，安装小发电机。但无奈的是，垫板过薄，过软，无法打孔。即使用硬纸板给垫板加厚也无济于事。

想不到组装一开始就遭遇了这样完全的，组装方案的错误。大家仿佛被破了盆冷水，状态不佳。但在互相鼓励之后，我们又恢复了信心与干劲，决定按照第二种方案实施。

但不得不面对另一个问题，材料。因为事先没有考虑到这种情况，并没有准备下小木块，这次组装开始不过一下就面临着结束。

这时，一位同学提出，将硬纸板卷成柱状或许会有意想不到的效果，于是我们有沿着新思路前进。

我们将硬纸板卷成硬卷，并用绳子进行加固，捆绑。但非常可惜的是，在组装小发电机的过程中，我们又失败了，纸卷并不容易加装上。大家的情绪又一次陷入低谷。

但我们尽管失败了也不会放弃，我们总结了这次的经验教训，准备在下一次组装时，准备好材料，一举成功。

日期 2017.11.20

（三）第二次组装

这次，我们先找到了两块废旧黑板擦，将黑板擦上的毛除下，得到了两块理想的木块。我们就开始了第二次组装。

这一次实验我们先找到了俩块废旧黑板擦，并将板擦毛进行了处理。得到的两块儿大小相同厚度正合适的木块。

于是我们再一次开启了组装之旅。

首先人是固定我们决定先在木块儿上钻出个小孔。在使用热熔胶进行加固。因为没有手钻，这样趁手的工具。我们只能用螺丝刀在木块儿上钻出了一个不大不小的孔。塞住了固定的条形齿轮和弹簧用的小铁棒。并用了热熔胶加固，等到胶水冷却凝固后经实验我们又不得不面对一个残酷的事实——达不到使用强度。这时因为时间有限，我们又只能终止了第四次组装。再一次的失败后我们大家都一筹莫展想不出什么好的办法，工具也无处借用。组装也没有更好的方案。

在大家几乎要决定放弃课题时，一位组员忽然提出。肥皂，也许可以代替木块。仔细一想，确实可行肥皂，质软，可以将固定用的铁棒直接塞入，进而继续组装其他部件。方案一经提出，大家便又活跃起来。一位同学更是一马当先的买了材料回来。

在观察并确认可行后，我们决定按照这个思路前进，但碍于时间有限，只得先为下次实验做准备。

日期 2017.11.27

（四）第三次组装

大家别向老师请了假前往实验室进行组装。肥皂果然便于安装，仅仅几分钟就将条形齿轮及弹簧搭了上去。但天不顺人意一位同学不慎将小发电机线圈与小灯泡间的导线弄断，不得不需要重新连接，但是导线非常细，话费了将近半个小时的时间才连接成功。我们便继续安装，可没想到胜利就在眼前，还是出现了变故。双层齿轮与转子的带动齿轮不处于统一平面。无法发电，我们又遇上了困难。解决方案很快就提了出来，将肥皂挖去一块儿，把定子埋入当中，使得是得带动齿轮卡住双层齿轮。但是碍于时间有限，我们只得再下一次组装时尝试了。

日期 2017.11.28

（五）最后一次组装

在上一次组装，我们在使用肥皂尝试组装后发现，质软的肥皂固然便于安装，但过于质软，安装后很难固定，于是我们把目光又转回了木板安装。

 在得知了学校物业处有手钻，电烙铁等工具后，我们到了那里并且进行安装，经过了三次尝试后， (打钻孔，上螺丝，固定等等)我们终于成功了。但在最后过程中，不慎将导线与电机连接处弄断，在使用电烙铁与焊锡焊住后，因技术有限，使得电阻过大，不能正常发光，实属遗憾。

日期2017.12.08—12.10

六、实验结果

完成了运动发电鞋模型的组装，但未达到预期的可以使灯泡发光甚至给手机充电的效果

七、课题组感悟

王宇豪:作为本次实验的组长与实验者，我发现这次实验中考察的是在平时物理学基础上的动手能力。在实验之前，我们都应该准备好实验器材。并且有所计划，有所分工。只有这样时间才能快速而高效的完成。

徐笑楠:作为本实验的观察者与记录者。在这次实验中我和看到了物理实验的严密的逻辑性。我们需要一丝不苟的进行每一步操作。同时团队合作也很重要。经历过一次的失败，最终才能取得实验的成功。我为我们组员而感到自豪。

田李明:在这次实验中我们认识到了一套科学缜密的实验方法。这对于开发智力，培养我们分析实际问题的潜力有着十分重要的好处，对于我们科学的逻辑