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1. (WO2019000713) ENERGY CONVERSION DEMONSTRATION DEVICE FOR TEACHING
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

0001  

说明书

发明名称 : 一种教学用能量转化演示装置

【技术领域】

[0001]
本发明涉及教具技术领域,特别是涉及一种教学用能量转化演示装置。

【背景技术】

[0002]
能量转化是由迈尔于1853年提出的,应用学科是物理。各种能量(例如机械能、内能、光能、电能等)之间在一定条件下可互相转化。
[0003]
本发明的发明人在长期研究过程中发现,目前物理课本中在讲述能量转化的相关知识时,只是在教材中列举了“能量转化”实验,例如水电站等,对于学生来说过于抽象,难以理解。
[0004]
【发明内容】
[0005]
本发明主要解决的技术问题是提供一种教学用能量转化演示装置,能够直观地反映能量转化。
[0006]
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种教学用能量转化演示装置,所述演示装置包括:透明容器,用于容纳液体,所述透明容器包括第一出口;叶片组件,包括可旋转叶片,所述可旋转叶片设置在与所述第一出口相对应的位置;发电组件,与所述叶片组件连接;聚光组件,用于将外界太阳光线汇聚为第一光束,使所述第一光束照射至所述透明容器中的所述液体上;当所述液体在所述第一光束的照射下被加热至沸腾,变成热蒸汽时,所述热蒸汽从所述第一出口逸出,使所述第一出口周围气体受热膨胀并向上运动,进而驱动所述可旋转叶片转动,所述可旋转叶片转动时进而带动所述发电组件发电。
[0007]
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明所提供的教学用能量转化演示装置包括透明容器、叶片组件、发电组件和聚光组件,当透明容器中的液体在聚光组件汇聚的第一光束的照射下被加热至沸腾并变成热蒸汽时(该过程为太阳能转化为热能),热蒸汽从透明容器的第一出口逸出,使得第一出口周围气体受热膨胀并向上运动,进而驱动叶片组件的可旋转叶片转动(该过程为热能转化为机械能),可旋转叶片转动时进而带动发电组件发电(该过程为机械能转化为电能);通过上述方式,可以直观的反应太阳能-热能-机械能-电 能的转化,实验现象明显,且层次分明,操作便捷。

【附图说明】

[0008]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。其中:
[0009]
图1是本发明教学用能量转化演示装置一实施方式的结构示意图。

【具体实施方式】

[0010]
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0011]
请参阅图1,图1为本发明教学用能量转化演示装置一实施方式的结构示意图,该演示装置包括:透明容器10、叶片组件12、发电组件14。
[0012]
具体地,透明容器10,用于容纳液体,透明容器10包括第一出口100;在一个应用场景中,透明容器10可以是平底烧瓶、锥形瓶等能够直接放置在载物台上而无需额外固定装置的容器,在其他应用场景中,透明容器10也可以是圆底烧瓶等需要额外固定装置将其位置固定在载物台上的容器,本发明对此不作限定。在本实施例中,透明容器10中所容纳的液体可以是水或者其他等对人体无毒害的液体;透明容器10包括第一出口100,当透明容器10中的液体受热变成热蒸汽时,该热蒸汽从第一出口100逸出,在其他实施例中,透明容器10可以包括其他出口,在演示过程中,其他出口可以封闭或者开放。
[0013]
叶片组件12包括可旋转叶片120,在其他实施例中,叶片组件12还包括与可旋转叶片120连接的杆部122,用于调整和固定可旋转叶片120的位置;其中,可旋转叶片120的叶片个数可以是1个、2个、3个等,其形状可以是任意曲线型或者直线型等,其材质可以是金属或者塑料等,本发明对此不作限定。在一个实施方式中,可旋转叶片120设置在与第一出口100相对应的位置,当热蒸汽从第一出口100逃逸时,使第一出口100周围气体受热膨胀并向上运动,可以驱动可旋转叶片120旋转;为尽可能使热蒸汽的热能转化为可旋转叶片120 的机械能,本发明所提供的演示装置还包括蒸汽管道18,蒸汽管道18的一端与透明容器10的第一出口100连接,蒸汽管道18的另一端与可旋转叶片120的位置对应;在一个应用场景中,蒸汽管道18的另一端可直接正对可旋转叶片120的前方,在另一个应用场景中,蒸汽管道18的另一端也可位于可旋转叶片120的下方且朝向可旋转叶片120的位置(如图1所示);在某些情况下,蒸汽管道18材质为塑料、橡胶等,为了方便其与第一出口100连接,还可通过一转接头等连接部件将第一出口100与蒸汽管道18的一端连接。
[0014]
发电组件14,与叶片组件12连接;在一个实施方式中,发电组件14包括发电机140和与发电机140连接的可发光部件142(例如灯泡等),发电机140与可旋转叶片120连接,可旋转叶片120转动时,可带动发电机140发电,进而驱动可发光部件142发光;在一个应用场景中,如图1所示,发电机140与叶片组件12的杆部122是各自独立的,在另一个应用场景中,也可将发电机140与杆部122整合到一起作为一个整体,以节约空间。
[0015]
聚光组件16,用于将外界太阳光线A汇聚为第一光束B,使第一光束B照射至透明容器10中的液体上,当液体在第一光束B的照射下被加热至沸腾,变成热蒸汽时(该过程为太阳能转化为热能),热蒸汽从第一出口100逸出,使第一出口100周围气体受热膨胀并向上运动,进而驱动可旋转叶片120转动(该过程为热能转化为机械能),可旋转叶片120转动时进而带动发电组件14发电(该过程为机械能转化为电能),通过上述演示装置,可以直观的反应太阳能-热能-机械能-电能的转化,实验现象明显,且层次分明,操作便捷。在一个应用场景中,如图1所示,聚光组件16包括凸透镜160和用于固定凸透镜的支架162,其中,本发明中对于凸透镜160的尺寸大小无限制,例如凸透镜160的直径为80mm、100mm、120mm等,凸透镜160可绕支架162调节位置,以使得经凸透镜162汇聚的第一光束B照射至透明容器10中的液体。
[0016]
为加速使聚光组件16汇聚的第一光束B使透明容器10中的液体沸腾,本发明所提供的演示教具还包括传热组件11,传热组件11放置在透明容器10内,聚光组件16以传热组件11为焦平面,即当聚光组件16包括凸透镜160时,凸透镜160的焦点位于传热组件11上,传热组件11在第一光束B的照射下快速升温,进而将传热组件11的热能传递至液体;在一个实施方式中,传热组件11为金属片,例如铝、铜等,金属片位于透明容器10的底部,与水平面平行或者有一定角度放置,本发明对此不作限定;在另一个实施方式中,上述金属片外 表面为黑色,可以进一步加速金属片对第一光束B热能的吸收;另外,在本实施例中,金属片还能起到防止透明容器10中液体爆沸的目的。
[0017]
请继续参阅图1,为尽量减少外部空气气流对本发明演示装置的演示效果的影响,请继续参阅图1,本发明所提供的演示装置还包括:基台13和腔体15。
[0018]
其中,基台13用于支撑演示装置,在其他实施例中,演示装置也可不包括基台13,基台13可以是外部任一平台;为使尽可能多的学生直观的看到本发明所提供的演示装置,在一个应用场景中,上述基台13包括承载部130和固定部132,承载部130用于承载演示装置,承载部130绕固定部132旋转,旋转方式可以为水平方向上的旋转,进而使得处于不同方位的学生都可以看到演示装置。
[0019]
腔体15设置在基台13上,且罩在透明容器10和叶片组件12的外部,以使透明容器10和叶片组件12位于腔体15和基台13形成的封闭空间内,发电组件14可以在此封闭空间内部或者在此封闭空间外部。在一个实施方式中,腔体15可以包括5个侧壁,与基板13接触的一面无侧壁;在另一个实施方式中,腔体15可以包括6个侧壁,其中一个侧壁可移动,以使得透明容器10和叶片组件12等能放置到腔体15中;在其他实施方式中,腔体15的结构也可为其他,本发明对此不作限定。当聚焦组件16位于腔体15和基台13形成的封闭空间的外部时,上述任一实施方式中的腔体15包括第一侧面150,第一侧面150使第一光束B可以照射至透明容器10中的液体上;为防止外部光线直射的影响,上述实施例中的第一侧面150包括不透光区域150a和透光区域150b,透光区域150b使第一光束B可以照射至透明容器10中的液体上,当透明容器10中放置有传热组件11(例如,金属片)时,第一光束B从第一侧面150的透光区域150b透过,进而照射到传热组件11(例如,金属片)上;在一个应用场景中,上述腔体15的第一侧面150材质透明,第一侧面150的不透光区域150a的形成可以是涂敷一层不透光物质或者直接贴附一层不透光材料;在另一个应用场景中,上述腔体15的第一侧面150的材质为不透明,透光区域150可以是在第一侧面150上形成的孔洞。另外,上述任一实施例中的腔体15还包括顶面152,顶面152设置有出气口154,顶面152除出气口154外,顶面152的其他区域均不透光;在一个应用场景中,上述腔体15的顶面152材质透明,顶面152的不透光区域的形成可以是涂敷一层不透光物质或者直接贴附一层不透光材料;在另一个应用场景中,上述腔体15的顶面152的材质不透明。为不影响观察效果,腔体15的其他几个侧面可以作为观察面,其他几个侧面为透明材质。
[0020]
请继续参阅图1,本发明所提供的演示装置还包括隔热组件17,隔热组件17位于透明容器10下方,用于隔绝透明容器10中液体热量对外部散发,可以防止透明容器10中液体热量对基台13产生的热损伤;在一个实施方式中,上述隔热组件17可以是隔热垫,或者是基板13上涂敷的一层隔热材料。
[0021]
下面将简单介绍一下本发明所提供的教学用能量转化演示装置的工作流程。
[0022]
A、太阳能转化成热能阶段:调整凸透镜160的位置,以使得凸透镜160汇聚的第一光束B照射至透明容器10中的传热组件11上;透明容器10中的液体被加热至沸腾,直至全部变成热蒸汽逸出;此阶段所需的热量为液体从初始温度至沸腾温度吸收的热量与变成热蒸汽气化所需的热量之和;假设此时液体为质量为m kg的水,初始温度T1为25℃,沸腾温度T2为100℃,水的比热容c为4.2*10 3J/kg℃,1kg100℃的水变成水蒸气所需吸收的热量为2258.2KJ,则此阶段所需热量Q=(c*m*(T2-T1))+2258.2*10 3*m。
[0023]
B、热能转化成机械能阶段:热蒸汽从第一出口100经蒸汽管道18冒出,出口处周围空气受热后体积膨胀,空气密度变小,向上运动,进而带动可旋转叶片120转动。
[0024]
C、机械能转化成电能阶段:可旋转叶片120带动发电机140发电,进而使可发光部件142发光;假设此时可发光部件142为灯泡,其功率为P,发光时间为t,则电能W=P*t;通过上述电能和热能的树值,还可以计算出此过程中的能量转化效率。
[0025]
总而言之,区别于现有技术的情况,本发明所提供的教学用能量转化演示装置包括透明容器、叶片组件、发电组件和聚光组件,当透明容器中的液体在聚光组件汇聚的第一光束的照射下被加热至沸腾并变成热蒸汽时(该过程为太阳能转化为热能),热蒸汽从透明容器的第一出口逸出,使得第一出口周围气体受热膨胀并向上运动,进而驱动叶片组件的可旋转叶片转动(该过程为热能转化为机械能),可旋转叶片转动时进而带动发电组件发电(该过程为机械能转化为电能);通过上述方式,可以直观的反应太阳能-热能-机械能-电能的转化,实验现象明显,且层次分明,操作便捷。
[0026]
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

权利要求书

[权利要求 1]
一种教学用能量转化演示装置,其特征在于,所述演示装置包括: 透明容器,用于容纳液体,所述透明容器包括第一出口; 叶片组件,包括可旋转叶片,所述可旋转叶片设置在与所述第一出口相对应的位置; 发电组件,与所述叶片组件连接; 聚光组件,用于将外界太阳光线汇聚为第一光束,使所述第一光束照射至所述透明容器中的所述液体上; 当所述液体在所述第一光束的照射下被加热至沸腾,变成热蒸汽时,所述热蒸汽从所述第一出口逸出,使所述第一出口周围气体受热膨胀并向上运动,进而驱动所述可旋转叶片转动,所述可旋转叶片转动时进而带动所述发电组件发电。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的演示装置,其特征在于,所述演示装置还包括: 传热组件,所述传热组件放置在所述透明容器内,所述聚光组件汇聚的所述第一光束照射到所述传热组件上,所述传热组件在所述第一光束的照射下快速升温,进而将所述传热组件的热能传递至所述液体。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的演示装置,其特征在于, 所述传热组件为金属片; 所述金属片位于所述透明容器的底部,和/或,所述金属片外表面为黑色。
[权利要求 4]
根据权利要求3所述的演示装置,其特征在于,所述演示装置还包括: 基台,用于支撑所述演示装置; 腔体,设置在所述基台上,且罩在所述透明容器和所述叶片组件的外部,以使所述透明容器和所述叶片组件位于所述腔体和所述基台形成的封闭空间内,其中,所述腔体包括第一侧面,所述第一侧面使所述第一光束可以照射至所述透明容器中的所述液体上。
[权利要求 5]
根据权利要求4所述的演示装置,其特征在于, 所述第一侧面包括不透光区域和透光区域,其中,所述透光区域使所述第一光束可以照射至所述透明容器中的所述液体上; 和/或,所述腔体还包括顶面,所述顶面设置有出气口,所述顶面除所述出 气口外,所述顶面的其他区域均不透光。
[权利要求 6]
根据权利要求4所述的演示装置,其特征在于, 所述基台包括承载部和固定部,所述承载部用于承载所述演示装置,所述承载部绕所述固定部旋转。
[权利要求 7]
根据权利要求5所述的演示装置,其特征在于, 所述聚焦组件包括:凸透镜和用于固定所述凸透镜的支架,其中,所述凸透镜绕所述支架调节位置,以使得经所述凸透镜汇聚的所述第一光束从所述腔体的所述第一侧面的所述透光区域透过,进而照射到所述金属片上。
[权利要求 8]
根据权利要求1所述的演示装置,其特征在于,所述演示装置还包括: 蒸汽管道,所述蒸汽管道的一端与所述透明容器的所述第一出口连接,所述蒸汽管道的另一端与所述可旋转叶片的位置对应。
[权利要求 9]
根据权利要求1所述的演示装置,其特征在于, 所述发电组件包括发电机和与发电机连接的可发光部件,所述发电机与所述可旋转叶片连接,所述可旋转叶片转动时,可带动所述发电机发电,进而驱动所述可发光部件发光。
[权利要求 10]
根据权利要求1所述的演示装置,其特征在于,所述演示装置进一步包括: 隔热组件,所述隔热组件位于所述透明容器下方,用于隔绝所述透明容器中所述液体热量对外部散发。

附图

[ 图 0001]