風力發電融入高中物理科課程－
「翼形與發電效率探討」教案
一、課程計畫 單元名稱 「翼形與發電效率探討」之基礎課程 教學主題 利用簡單的翼形結構，討論結構本身在風場中營造出的升力與阻力，進而 討論其與平行軸扇葉之間發電效率好壞的關係 對應課綱 1.高一基礎物理(一)第五章 電與磁的統一； 2.高一基礎物理(一)第七章 能量； 3.高三選修物理(下)第九章 電磁感應 學習目標 理解風能與利用風能之間的機制 教學方法 口頭講述、分組實驗與討論 學生先備知識 1.對白努利定律有基礎的了解 2.對基本的力學中力矩的了解 教學資源 投影機、參考書籍、講義 適用年級 高中2年級 教 學 時 間 150分鐘 教學目標 行為目標 1 簡單翼形設計的概念 2 扇翼於風場中受力狀況 3 扇翼受力狀況與發電效率關係討論 1-1 說出為何翼形要如此設計 1-2 明白此設計與機翼的關聯性 2-1 了解白努力在類似結構中的應用 2-2 自行架設升力測量的實驗儀器 2-3 自行架設阻力測量的實驗儀器 2-4 操作升力和阻力的量測實驗數據 3-1 處理量測得的實驗數據 3-2 藉數據圖表推論發電效率最佳的翼形 3-3 發揮創意提出更複雜翼形二、教學流程 活動流程 教 學 活 動 設 計 行為目 標 時間 (分鐘) 教學資源 教師活動 學生活動 提出問題 分析問題 提出假設 一、準備活動 1.介紹各種類風力發電機 及了解再生能源於現下 的重要性。 2.介紹風力發電機各種翼 形的應用情形。 3.講解平行軸發電機中扇 翼在風場中受力情況。 4.指導簡易設計之扇翼製 作並引導學生提出相關 問題。 二、發展活動 1.學生操作扇翼製作。 2.將製作的扇翼置入風動 中風場測試其升、阻力。 3.整理並處理實驗中所得 到的數據，繪製相關圖 表。 4.討論扇翼在風場中攻角 與 翼 形 和 升 阻 力 間 關 係、並合理提出期間關 係的假設。 一、教師引導 1.在教師引導下，利用參 考書籍的應用，進行資 料的查詢。 2.提出相關擬探究之問 題。 二、分析問題與提出假設 1.班級分為 5~6 組，透 過集體討論方式，分析 問題及提出假設，並藉 由參考書籍的輔助，設 法澄清自己或組員的想 法。 三、驗證假設與操作 1.學生動手設計與操作各 項相關實驗，藉以驗證 其所提出之研究假設。 2.各組將所討論出的內 容，呈現在海報或簡報 上。 1-1 1-2 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-2 30 30 40 20 投影片 書面教材 參考書籍 學習單 參考書籍 海報紙 電腦 投影機 海報紙 電腦 投影機
活動流程 教 學 活 動 設 計 行為目 標 時間 (分鐘) 教學資源 教師活動 學生活動 驗證假設 三、總結活動 1.使用已提出的假設，合 理製作其他翼形扇翼並 量測其發電效率 2.綜合其操作內容並給予 評鑑 四、同儕分享 1.各組同學將量測結果呈 現 於 簡 報 上 面 與 大 家 分享 2.其他組別分別給予回饋 及提問 3.教師總結及評語 3-3 30
「翼形與發電效率探討」教學示範模組
一、教學示範模組特色與用途
(一)目的：
1. 對現有的風力發電機有基本的認識。 2. 經實際體驗風洞形成的大型風場下扇翼升、阻力相關實驗，讓扇翼運轉的 相關原理概念深植腦中。 3. 經實際操作實驗，了解扇葉的設計與發電效率間的關聯。(二)背景說明
近來因日本核災之故，環保的能源取得變成炙手可熱的議題，然而許多能源 的發電方式都會經由電磁感應這個步驟，於是我選擇了容易體驗且取得容易 的環保能源--風力作為題材，並結合生活中的風扇運作機制、飛機機翼飛行原 理和舊課綱高中課程中白努利定律之概念去設計本教案(三)用途
經由這整個學習過程，可以讓學生生動地體驗舊課綱中流體動力學造成的有 趣現象，並在實驗及整理數據的經驗中提升未來設計實驗和處理實驗相關資 料的能力，並可將本實驗做延伸，作為日後尋找科學相關競賽題目的題材。二、教學示範模組設計概念與專家諮詢
本計畫為了開發翼形生產各實驗教學教材與實驗模組教具，曾與船舶暨海洋產 業研發中心的鍾承憲博士進行專家諮詢，主要諮詢內容為翼形於升阻力的影 響和發電效率的探討，並以鍾承憲博士建議作為本實驗模組教具之創意研發 依據與方向。三、教學示範模組
(一)各教學單元模組介紹 名稱 升力測量模組 阻力測量模組 發電效率量測模組使 用 設 備 名 稱 1.可拆卸式扇翼 2.升力量測槓桿組 3.拉力計 4.數據採集器 1.可拆卸式扇翼 2.阻力量測槓桿組 3.拉力計 4.數據採集器 1.發電機 2.可變電阻 3.電位差測量計 4.電流測量計 5.數據採集器
(二)教學示範模組設備
設 備 數量 單位 圖 示 風洞機 1 台 可調變風速機構 1 台 可拆卸式扇翼 1 組升力量測槓桿組 1 組
拉力計 1 台
數據採集器 1 台
四、教學示範模組操作步驟
1.升力測量模組： (1)教學生製作簡單扇翼 (2) 架設升力測量組 (3)於風洞下實測扇翼升力，於數據收集器上讀 取 定 彙 整數據 2. 阻力測量模組： 同升力測量模組，但將升力量測槓桿阻，改架設 成 阻 力 量測槓桿阻 3. 發電效率量測模組(1)將待測扇翼架上發電機 (2)在不同的風速下量測各翼形，看其發電功率 並記錄 (3)討論個翼形升、阻力與其發電效率的相關性，並合理提出並討論最佳翼形
五、輔助教學成效
1. 過程中學生參與實驗架設和扇翼製作，動手做的過程不但提高學習意願，也讓整個發電 學理枯燥的流程多了樂趣。 2. 利用槓桿原理設計量測力的裝置，讓學生學到一種量測力的技巧，適度的調整橫桿長度 有助於量測變化幅度較小的力，使得力的量測靈敏度更高也更準確。 3. 調整製作扇翼的攻角，讓學生體會到實際操作實驗時遇到困難，如何用周遭已有的器材 解決之。 4. 學習到如何從數據推斷風速與升、阻力之間的關係。學習單
組別： 姓名：選擇題
1.（ ）下列何者不是再生能源優點? (A)產能值高 (B)乾淨無汙染 (C)來源廣泛且再生性強 2.（ ）一般平行軸風力發電機主要是要汲取來自扇翼的哪一種力道? (A)阻力 (B)升力 (C)摩擦力 3.（ ）扇翼自風中汲取力道來轉動，而此力道主要來自於何種原理? (A)質能守恆 (B)電磁感應 (C)白努利定律 4.（ ）為何升力實驗中架設扇葉的一端桿長較長? (A)降低升力 (B)放大升力 (C)無特殊用意 5.（ ）當扇翼旋轉時，轉速越快則扇翼阻力會變? (A)大 (B)小 (C)不變問題討論
問題一、由實驗數據合理分析，要達到最好發電效率，側翼形狀是否應為矩形？若否，請 敘述原因和想法。 問題二、請設計一個你認為可以有最好的效率的翼形測翼，並敘述原因和想法。課外延伸
想一想，使用氫能源還有什麼議題可以探討的?查一查以下幾個問題。 問題一、載著一桶氫氣到處跑的車子安全嗎?會不會爆炸?回饋單
組別： 姓名： 在上完翼形與發電效率探討的課程後，依照你所獲得的知識或實際感受，填完下列問題。 1. 你對風力發電的發展現況了解程度為何? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 2. 你對風力發電的優勢了解程度為何? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 3. 你對生產扇翼於氣流中汲取的力道原理了解程度為何? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 4. 你對飛機機翼與風力發電機扇翼運作原理相關程度了解為何? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 5. 你對整個升力量測實驗是否了解? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 6. 你對整個阻力量測實驗是否了解? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解 7. 你是否認為實驗室有大型風洞機，可助於你在風力與流體力學上的學習? □是 □否 □沒有亦無太大影響 8. 你對風能轉電能轉換效率了解為何? □非常清楚 □清楚 □普通 □不清楚 □完全不了解9. 上完這個單元，除了知識外，還有學到什麼嗎?學習正式的課程時，有沒有跟以前不同的 態度與方式?
