邢海根

(廬江第四中學(xué) 安徽 合肥 231500)

1 問題的提出

觀察事物的缺陷，尋找解決方案的一系列發(fā)明課題.

太陽能熱水器已得到普遍的應(yīng)用，不論是夏天還是冬天，都能給用戶提供熱水.但太陽能熱水器有一個缺點，往往在冬天，水管內(nèi)的水會結(jié)冰，使得太陽能熱水器不能應(yīng)用，甚至水管會被凍爆，特別是冰熔化后，室內(nèi)自來水及水箱內(nèi)的水都通過破裂處流出，導(dǎo)致“水災(zāi)”的發(fā)生，給家庭或鄰居造成一定的損失.通過視頻播放或講述，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行太陽能熱水器水管的缺陷.告訴學(xué)生，發(fā)現(xiàn)身邊使用的東西有不方便、不盡如人意的地方就是該事物的缺點.當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了某個事物的缺點，就要設(shè)法改進它，讓它變?yōu)橐粋€新產(chǎn)品，這樣，發(fā)明的題目就有了.此時，啟發(fā)學(xué)生對現(xiàn)行太陽能熱水器進行改進，尋找發(fā)明課題.學(xué)生提出了一系列的方案，師生共同對這些方案進行粗選，得出“防凍太陽能”、“防凍破太陽能水管”、“防太陽能水管凍破裝置”幾個課題.

2 課題的確定

對課題進行查新、缺點列舉，確定最終課題.

有了發(fā)明的課題，就要找解決該課題的途徑，實際上就是設(shè)計大致方案，看它能否解決問題.在發(fā)明過程中，往往具有多種設(shè)計方案，有的方案是前人已發(fā)明的，要淘汰；有的方案在理論上可行，但在實際過程中會有許多缺陷.這些都要反復(fù)查找資料，反復(fù)論證與推敲才能回避.例如，可以設(shè)計“真空式太陽能水管”、“絕熱式太陽能水管”、“零下自動加熱式水管”.當(dāng)我們從網(wǎng)上查找時，發(fā)現(xiàn)后兩種已有類似的發(fā)明，對這兩種成品進行分析，發(fā)現(xiàn)都有缺陷，一個是絕熱材料很貴，經(jīng)不起風(fēng)吹雨打和日曬，每隔一段時間便要更換；而后者在冬天，特別是氣溫極低時將長時間通電，溫差越大，耗電量也就越大.這說明以上兩項發(fā)明還不十全十美，進一步研究該課題還是必要的.我們對“真空式太陽能水管”進行反復(fù)論證，發(fā)現(xiàn)它不是由軟管制成，因為大氣壓的作用，軟管不可能制成真空層.若由硬管制成，則只能分成一段一段的，不能隨意切割，這會給安裝帶來困難，在實際中是不能實現(xiàn)的.因此，在不改變課題的情況下，必須改變思維的方式，重新尋找設(shè)計方案.這時可啟發(fā)學(xué)生，水在冬天結(jié)冰，主要是結(jié)冰后體積變大，將水管脹破，所以，有的用戶聽天氣預(yù)報，在氣溫降低時，將太陽能水箱內(nèi)的水全部放完，使管內(nèi)無水，這樣可避免水管被凍破.若是水箱內(nèi)的水被放凈了，那么也就不能隨時使用太陽能熱水器了.如果我們只將水管內(nèi)的水放凈，保留水箱內(nèi)的水，那么,需要用太陽能內(nèi)的水時,再回復(fù)原來的功能，這樣就克服了該缺陷.從而可設(shè)計出新的方案，“自動防凍破太陽能水管‘空水’裝置”，接下來再論證它的科學(xué)性、創(chuàng)新性、實用性.最終確定此方案為最后的發(fā)明課題.

3 實驗的過程

設(shè)計實驗、進行實驗，在試驗中不斷發(fā)現(xiàn)缺陷，不斷改進，完善課題.

確定了課題，正如給出一個物理實驗課題，讓學(xué)生去設(shè)計實驗，進行實驗.這時就要明確實驗的目的、實驗的原理，才能確定實驗要用哪些器材，當(dāng)然器材不是唯一的，因為解決問題的途經(jīng)有多種.有了器材，可先設(shè)計出實驗的流程或?qū)嶒瀳D紙，然后,以此為根據(jù)完成組裝，再進行實驗.

完成發(fā)明課題的過程，與完成物理實驗相似.但不同的是前者的實驗器材不確定，往往帶有試驗性質(zhì)，在不斷試驗的過程中，發(fā)現(xiàn)缺陷，再不斷地改進，不斷地更換器材或調(diào)整實驗方案，根據(jù)實驗的效果，反復(fù)對比，最終找出最佳的實驗器材，確定最佳的實驗方案.

例如，“自動防凍破太陽能水管‘空水’裝置”的課題.在論證時，我們確定它的工作原理如下，在室內(nèi)與太陽能水箱連接處分別安裝一個電磁閥，正常使用太陽能熱水器時，室內(nèi)電磁閥是常閉的，而與太陽能水箱連接處的電磁閥是常開的.當(dāng)氣溫下降到零攝氏度以下時，電磁繼電器接通，使兩個電磁閥工作狀態(tài)對調(diào)，關(guān)閉太陽能水管與水箱連接處的水管，打開衛(wèi)生間內(nèi)的水管.根據(jù)這一原理，進行模擬實驗，選擇了以下器材：1 m長的水管，220 V的電磁閥2個，12 V電磁繼電器1個,三通閥1個,小水桶1個，用作模擬水箱,開關(guān)1個，用來代替溫控開關(guān).先畫出草圖，根據(jù)草圖從上到下的順序進行組裝.再通電進行實驗.實驗時發(fā)現(xiàn)該裝置可以實現(xiàn)正常太陽能的上水或放水，但當(dāng)氣溫為零攝氏度以下，用手動開關(guān)控制，只將水管內(nèi)的水放掉時，管內(nèi)的水流不下來.這時對照實物進行分析，發(fā)現(xiàn)是大氣壓的作用所致.隨后，我們對該裝置進行改進，在水箱下的電磁閥下方安裝一個三通管，在三通管的上方接一段水管用來通空氣.這時再模擬實驗，能夠?qū)⒐軆?nèi)的水放凈了.接下來將開關(guān)復(fù)原，將下端水管與自來水管相連，給“太陽能水箱”上水，又出現(xiàn)了一部分水從通氣管內(nèi)溢出的問題，怎樣實現(xiàn)上水時水不溢出，而“空水”時又能通空氣呢？此時，可以在通氣管上方加一個“止回閥”，當(dāng)給太陽能水箱上水時，在水壓作用下，閥門自動關(guān)閉，在給水管“空水”時，在閥身自重的作用下閥門自動打開，實現(xiàn)了通空氣的目的.但在一次停電時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)該裝置無法進行實驗，因為220 V電磁閥無法工作，因此，不得不對該裝置再次進行改進.將220 V電磁閥改成12 V電磁閥，用12 V蓄電池作為所需電源.但蓄電池用久了，忘記充電怎么辦呢？隨后想到了太陽能路燈，于是加了一塊太陽能電池板及充電系統(tǒng)，將它與蓄電池相連，并在衛(wèi)生間安裝12 V手控照明燈.最終確定了實驗的方案.

4 成品的安裝

將替代器材改為實際器材，進行實際安裝，重新審視新成品的缺陷及優(yōu)點.

將實驗用到的器材，拿到家用太陽能水管上安裝，進行上水實驗、放水實驗、氣溫達(dá)到0℃以下的水管內(nèi)“空水”實驗.發(fā)現(xiàn)空水時，水管內(nèi)的水流到地面，不便于用容器回收，于是設(shè)法進行改進，在排水電磁閥出口處接一根軟管，接到馬桶水箱內(nèi).由于市場上的溫控開關(guān)需要接220 V市電，為防止停電，直接用水銀溫度計改成的在0℃上下兩點通斷電的溫控開關(guān).由于“空水”后太陽能仍然具有加熱的功能，用溫控開關(guān)自動控制電磁繼電器后，就不能在氣溫為零攝氏度以下使用太陽能箱內(nèi)的水，這又是該發(fā)明的一大缺陷，必須進行改進.這時，我們想到了增加手動控制開關(guān)，需要用水時，將手動開關(guān)閉合，給電磁鐵通電，驅(qū)動兩個電磁閥反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能水箱內(nèi)的水放出，克服了以往太陽能冬天放熱水前，須將水管內(nèi)存有的冷水放凈的缺點，幾乎剛出水時就是熱水.

5 裝置說明

對發(fā)明作品進行整體提煉，完善發(fā)明作品說明書.

(1)工作原理.由溫控開關(guān)對電磁繼電器進行控制，當(dāng)氣溫在0℃以上，電磁鐵通電，電磁閥1通電，處于常開狀態(tài)，電磁閥2斷電，處于常閉狀態(tài)，該太陽能熱水器與常規(guī)的太陽能熱水器完全一樣.當(dāng)氣溫達(dá)到0℃以下時，電磁鐵斷電，兩電磁閥工作狀態(tài)反轉(zhuǎn)，水管上端關(guān)閉，在大氣壓與水的重力作用下，管內(nèi)的水從電磁閥2處流入馬桶水箱(或副水箱).當(dāng)需要用水時，按下手動開關(guān)S，電磁鐵通電，兩電磁閥工作狀態(tài)反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)可放熱水的狀態(tài).但在不用水時應(yīng)斷開開關(guān)，以便空水.其電路如圖1所示.

圖1 裝置電路圖

(2)安裝與維護.將太陽能水箱接口處的螺母旋下，串接電磁閥1，在電磁閥的下端接一三通，三通余下的兩端分別接進水管、止回閥.將衛(wèi)生間的噴頭與上水閥相連處的螺母旋下，接一三通，余下的兩通再接電磁閥2和噴頭.電磁閥2的另一端接水管到馬桶水箱.對于溫控開關(guān)的校正可在冰水混合物中進行，看冰水混合物中溫度計水銀面的位置，調(diào)節(jié)金屬絲的位置.兩個電磁閥的接線柱上并接了指示燈，根據(jù)指示燈的發(fā)光與否可判斷其工作狀態(tài).安裝圖如圖2所示.

圖2 裝置安裝圖