翼形與發電效率探討」教案 - 高中物理科教學檔案 - 自然科檔案下載 - 國立中科實驗高級中學教學單位網站

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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

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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

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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

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「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

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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

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升力量測槓桿組 1 組

拉力計 1 台

數據採集器 1 台

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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

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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

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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?

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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

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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?

數據

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參考文獻

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