“电气岛”的研发与设计

jubookumojoy

摘  要： 本设计作为科技馆的展品，目的是让观众对电的知识有一些具体的了解，观众通过用手摇发电机的手柄进行发电，产生电能，然后把一只手的两个手指放在铜板上，进行轻微的电击来感受触电是什么感觉？观众通过开关给一组电容器充电，在电容器获得一定的能量后，通过开关的选择点亮灯泡，观众通过开关可以选择点亮串联电路的灯还是并联电路的灯，还可以了解到，功率的大小与电容器的电消耗时间有密切的联系；从而向观众诠释电是一种能量，遵守能量守衡定律以及通过对电路操作了解串联电路、并联电路等等基本知识。
关键词： 手摇发电机；发电；电击；电容器；串联；并联；功率；能量
中图分类号：TM769  文献标识码：A  文章编号：1671－7597（2011）1220071－01
0 引言
很多观众特别是少年儿童经常会有疑问，我们日常用的电是什么？它是从哪里来的？它有什么用？电路最基本的连接是怎样的？功率和能量有什么关系？被电击的感觉又是怎样的？为了很好地解释这个问题，我们设计了一个叫“电气岛”的科普展品。
1 设计思路
电看不见摸不着，而且无色无味，观众不知道电是怎样产生的，因此在这件展品中，我们通过采用手摇发电机直接让观众摇动发电机做功产生电能，通过电表的指示体验电的存在，而且发电机有一部份的外壳采用透明材料做成，观众可以直接看到发电机里面的结构，他们可以清楚地看到通过他们用手摇动产生的功，是怎样变成了电的，从而体会到电是通过能量转换来的。为了让观众直观地感受到电的存在，我们还设置了两块手指型的铜板，观众将一只手的两个手指放在铜板上，然后慢慢摇动发电机手柄，产生电能，自己的手就会感受到轻微的电击，并有麻或痛的感觉，从而认识到与电流短暂瞬间的接触通常是无害的，除非触发了心脏的纤维性颤动，本展品只是让观众感受很小的电流从他的同一只手的一个手指流向另一个手指，他们会看到很小的电流是伤害不了他们的。 展品通过开关的选择，可以让观众利用手摇发电机产生的电给一组电容器充电而储存在电容器内，再用电容器给一个有串联和并联的简单电路放电，点亮灯泡而说明一些简单的电气原理。观众可以通过开关点亮串联电路或并联电路的负载，这样观众就知道他们家的电路应该采用什么连接方式了；在这个电路里，我们设计了一个连接处，要用我们设计的连接棒来连接，我们又制作了三个连接棒，棒内分别用铜线、石墨、塑料连接、让观众将连接棒放入接触处，可以观察在电路中，导体、非导体的通电能力。
2 构成
整个展品由一张2000＊800（mm）的工作台组成，工作台上装有一台用有机玻璃罩着的可以直接看到内部结构的手摇发电机、两块手指型铜板、一个电压表、一个电流表、一组22000μＦ*5的可充电电容、三组负载：由灯泡组成的并联电路和串联电路、通过观察灯泡点亮时间的长短观众可以了解能量消耗的快慢，也即是功率与能量的关系。本展品所有连接导线都用铜棒来制造，而且全部固定在工作台面上，让观众直接感受到电路的构成。
3 工作原理
观众扳动手摇发电机的手柄来产生电能，通过观察发电机内部结构的运动，加深认识发电机的工作原理；同时用另一只手的两个手指放在两块铜板上，可以感觉到轻微的电击，在电路中，因为发电机额定电压是24伏，故我们采用三倍升压，并将电流限制在1毫安以内以保证安全，观众可以自己控制电击的力度，从而感受到电击的严重性取决于流经身体的电流量的大小，电流又由电路中的电压和身体的电阻决定，同时观众还可以体验湿的手比干的手受电击的程度的强弱；当观众把开关扳向“充电”时，通过扳动手摇发电机发电，从而给电容器充电，电路采用稳压充电，通过观察电压表的读数可以了解电容器的充电情况，当电容器被充好电后，观众将开关扳向“放电”时，所有灯泡可以通过电路设置的开关单独点亮；观众可以观察串联电路和并联电路的灯泡的发光程度以及不同瓦数的灯泡在不同的时间内将电容器的电用光；观众可以在电路的连接处通过放入不同材料的连接棒，从而体会不同材料在电路中的导电性有什么不同。
4 结论
在探究电是怎么回事的过程中，本设计采用最简单、最直接的手段、而且将电路的连接用铜棒直接在台面上反映出来，让观众可以了解到电的基本特性。作为科技馆的展品，我觉得不需要太复杂的东西，特别是像“电”这样看不到、听不见、闻不到的东西，简单明了才是观众最喜爱的，像“电气岛”这样的展品会紧紧吸引观众，因为我们在展品中设置了很多让观众动手参与的东西，观众通过动手参与掌握的知识是最难忘记的。本展品的关键是让观众触摸铜板时的电流限制在1毫安以内，这样比较安全。本展品可以让观众通过动手参与主动探索知识，提高对科学的兴趣，从而加强了观众参与、互动和体验的过程，为科技馆的展品开发提供了一个新的参考。
参考文献：
[1]陈丽琴，电气工程基础，科学出版社，2009.02.01.
[2]王世才，电工基础与测量，中国电力出版社，2007.01.01.