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摘要:
學生建造簡單的渦輪機來研究如何利用風和水的能量做功。
 
年級程度: 
五年級∼八年級
 
領域: 
家庭生活和消費教育
 
場地: 
教室
 
時間: 
準備時間:30 分鐘
活動時間:50 分鐘
 
關鍵字彙: 
水壩、發電機、水力發電、動能、機械能、勢能、渦輪機
 
主要概念領域: 
•能量的自然法則
•能源的開發
 
準備工作:
堂課之前先造好一個渦輪機當作示範。這個渦輪機也可以在引起動機中做為紙風車使用。小孩的手可能欠缺製作渦輪機所需的靈巧度。可以考慮為這些年幼學生製作全班共用的渦輪機。學生則可以製作簡單的紙風車來示範風力。

準備本教案活動表的C部分時,用一片鋁箔紙蓋住電茶壺的壺嘴,並以膠帶固定住。在壺嘴頂端的鋁箔紙上用鉛筆戳一個小洞。
 
 
學習目標
學生將能夠
•示範風和水可以如何轉動簡單的渦輪機;以及
•說明渦輪機在發電上所扮演的角色。

基本原理:
理解渦輪機如何運轉,可以幫助學生解釋人類是如何藉由發展技術來增進他們利用能源的能力。
 
準備教材
•紙風車一只(見準備工作)
•茶壺(電熱的或是另行準備熱源,譬如電磁爐)
•鋁箔紙
•膠帶
•風車和水車的照片(選用)
每一組將會需要一份學生手冊的水車、風車和渦輪機活動表以及其中所列的各項材料
 
背景說明
背景資料來源見學生手冊的能源補給站:
關於水力發電
關於風力
水力發電示意圖
石化燃料發電示意圖
核能發電示意圖

風輕輕地吹過湖面。真是一幅寧靜的畫面,但有誰會想到風和水都是可以運作我們家電用品的能量來源呢?

風是一種能量的形態,部分是由太陽造成。地球表面的加熱和冷卻,以及地球的自轉,都促進了風的形成。太陽加熱了地表。這個熱氣進而發散,將周遭的空氣加溫。到達地球的太陽能量約有百分之二被轉換成風力。

人類利用風力已經有好幾百年了。農人和牧場業者以風車抽水到偏遠地區的農田和供牲口飲用。時至今日,風力機仍然以機械能抽水,但它們越來越多的時候是被用來為操作燈光和為其它電氣用品供電。雖然在台灣只有一小部分的電是經由風力產生(少於百分之一),經由風力發電產生的電量正在穩定地成長。發電用的風力機械系統可大可小。在台灣有5個地方的發電處操作著共55座風力渦輪機。這些風扇的運轉直徑可達超過46公尺!家庭尺寸(小規模)系統的運轉直徑則在3到6公尺之間。

水力和風力一樣,也很早就被人類使用。台灣少數農田水圳旁還保留有水車。流動的溪水使水車轉動。而在歐洲,早期溪流旁邊也設有一些磨坊,水車轉動了磨坊內部的齒輪來磨麵粉。水車也被用來提起物品(包括水在內)以及為機器提供動力。

人類以流動的水來發電(水力發電)。水壩管理者經由水壩來調節水流(見水力發電示意圖)。在台灣有70座公有和50座私有的水力發電處。這些發電處產生了約25億千瓦小時的電。水的另一種形態,蒸汽,也可以用來發電。燃燒石化燃料(煤、油、或天然氣)或者由核分裂所產生的熱均可將水轉換成蒸汽。(見石化燃料發電示意圖以及核能發電示意圖)。

雖然風、水和蒸汽發電的方式有些相異,但是它們發電過程中都涉及到轉動葉片。葉片轉動轉軸,進而使發電機內部的線圈轉動。發電機將轉動線圈的機械能轉換為電能。轉動的線圈被一群生產電流的磁鐵包圍著(見「電動機和發電機」活動)。發電機所產生的電力經由電線傳輸到鄰近社區的家庭和公司用戶。為了確保有足夠的水量來轉動渦輪機,人們建造水壩來蓄水,在有需要的時候將水釋出。水壩防止水往下流,形成一個蓄水池。貯存在水壩裡的水具有強大的位能。

所以,下次當你把腳趾頭伸進潺潺小溪之中,或者感到徐徐清風拂過臉龐的時候,記住:這些資源都具備著為我們日常用品發電的能量。
 
教學流程

引起動機:
拿出一個紙風車給學生看,問他們認不認為它可以做功。提醒他們功的定義(在某件物品上施力──推或拉──使它移動一段距離)。對紙風車吹氣,讓學生看到它會轉動。請同學們想想看有哪些情況下類似這樣的輪子也可以做功。給學生看風車和水車的照片,討論讓風車和水車轉動的能量來源有哪些。解釋說輪子是將風和水中的動能轉換成機械能的工具或簡單機器。告訴他們還有一個名詞可以描述這類做功用的輪子,叫做渦輪機,具有葉片,和轉軸連接。告知大家他們將會製作自己的模型渦輪機,並且實驗看看有哪些方法可以轉動它。

進行步驟:
1.將全班分成幾個小組,發給每組一份水車、風車和渦輪機活動表。每組的其中一位同學可以負責取得材料、一位負責讀出指示說明、另一位則負責建造渦輪機。

2.請同學們讀出活動表中指導和製造渦輪機的部分。一步步帶學生讀完每個程序,以確認他們瞭解所有的步驟。

註:如果學生較年幼,可能藉由製作簡單的風車來示範風力如何轉動葉片就足夠了。以免洗餐盤(可以事先將使用過的免洗餐盤沖水洗乾淨後拿來利用)來解說水流或蒸汽是如何被利用來轉動葉片的。注意:警告學生在使用剪刀時要小心。

3.請學生製作模型渦輪機。要檢查轉軸是否有緊密地和餐盤的洞接合在一起。你可能會需要用膠水把軸心和餐盤黏起來。渦輪機轉動時不應脫離軸心。

4.當渦輪機製作完成之後,請學生們依照水車、風車和渦輪機活動表上使用渦輪機的A、B、C部分的指示進行實驗,回答活動表上的問題,並將答案記錄下來。注意:隨時監控茶壺,以確保不會有人被燙傷。學生將能夠依據他們的觀察回答大部分的問題。

 
結語:
當所有人都完成以上程序之後,討論他們對於水車、風車和渦輪機活動表上的問題所做的回答。向學生強調渦輪機改變了能量的動向。風、水和蒸汽在遇到渦輪機之前都是以直線行進。渦輪機則是以圓形運轉。指出因為渦輪機造成了改變,我們可以稱它為能量轉換裝置。告訴學生渦輪機在我們生產電力的機械中佔了很重要的部分。討論發電廠中風車、水壩和發電機的資訊(見背景說明)。
 
評量
形成性:
•學生有依照說明成功地製作出模型渦輪機嗎?
•學生仔細觀察並細心回答問題的程度為何?
•學生能夠利用風和水來轉動渦輪機嗎?

總結性:
•請學生建造或繪出一個簡易的發電廠,其中包括渦輪機,並追溯從渦輪機到他們家中的能量流動。
 
延伸活動
挑戰學生為水車或渦輪機設計一個不同的模型。例如,切下塑膠罐的邊緣,將罐子穿入一根大頭釘。
 
活動表問題的解答
A部分:風車
1.當你輕吹風車時,它就會緩緩轉動。
2.當你比較用力吹時,風車就會轉得比較快。當你較用力吹氣時,你就提供了比較多的能量。

B部分:水車
1.水中有貯存著能量。
2.當水沖擊渦輪機葉片時,渦輪機就會轉動。
3.要讓渦輪機轉到最快,你要盡可能把它拿到離杯子最遠的距離,因為水從越高處流下,它就具有越多的動能,也就能對渦輪機做越多的功。

C部分:蒸汽機
1.是的。當蒸汽遇到渦輪機,渦輪機就會轉動。
2.蒸汽是經由燒開茶壺中的水所產生。