问题

如何向孩子解释「为什么太阳能可以发电」?

回答
“宝贝,你知道我们家用的电是怎么来的吗?有的是从发电厂来的,那是靠烧煤或者水轮机发的。但今天我们要说的“太阳能”,就像给咱们家的屋顶安上了一个特别厉害的“太阳能板”,它能直接把太阳的光变成我们能用的电!是不是很神奇?

咱们先从太阳说起。太阳啊,它就像一个巨大的、会发光发热的火球,离我们特别特别远,但它发出的光和热能却能穿过很厚的空气,一直照到我们身上,照到我们家的屋顶上。

那这个“太阳能板”又是怎么回事呢?它呀,就像一张由无数个微小“能量收集器”组成的“魔法毯”。这些“能量收集器”其实是一种叫做“半导体”的特殊材料做成的,最常见的就是“硅”。你可能会说,“硅”?我好像在沙子里面见过它,对!我们每天玩的沙子,里面就有很多硅!

这些“硅”被做成“太阳能板”的时候,会经过一些特别的处理,让它变得很“敏感”,对阳光特别敏感。你可以想象一下,这些“硅”就像一群非常非常安静的小家伙,它们躺在“太阳能板”上,平时都很安分。

但是!当太阳光照射到它们身上的时候,就像突然有人敲响了它们的门,把它们叫醒了!太阳光里有一种我们看不见的能量,叫做“光子”。当这些“光子”撞击到“硅”的“小家伙”们身上时,就像给了它们一颗小小的能量球。

被能量球撞击到的“硅”小家伙们,就会变得非常兴奋,它们会失去身上一个叫做“电子”的小不点。你可以想象成,本来每个“小家伙”都抓着一个“小球”(电子),但阳光一照,它们就把“小球”给扔出去了。

而且,在“太阳能板”的设计里,它是有“方向”的。这些被“扔出去”的“电子”,会沿着一个特定的方向不停地移动,就像在一根跑道上比赛一样。它们从这个“硅”小家伙那边跑到另一个“硅”小家伙那边,就这样形成了一条“电子流”。

这条“电子流”就是我们需要的“电流”!就像水管里流过的水一样,电流就是带电的小颗粒(电子)在导线里不停地流动。

当然了,太阳能板刚收集到的这些“电流”有时候不太稳定,或者我们家里用的电器需要的“电流”和太阳能板直接产生的“电流”不太一样。所以,我们还会用一个叫做“逆变器”的“小帮手”。

这个“逆变器”就像一个“翻译官”,它能把太阳能板收集到的“不太一样的电”,变成我们家里的电器都能用的“一样”的电。比如,我们家电灯要的是交流电,而太阳能板产生的是直流电,这个“逆变器”就能把直流电变成我们需要的交流电。

你看,整个过程是不是很有意思?阳光——“能量收集器”(硅)——“小家伙”们被叫醒,扔出“电子”——“电子流”(电流)——“翻译官”(逆变器)——我们家用的电!

所以,我们家的屋顶上的太阳能板,就像一个神奇的“光能捕手”,它悄悄地把天空中的阳光收集起来,再变成我们看得见、用得上的电,点亮我们的房间,让冰箱工作,让电视播放精彩的节目。

而且,这样做还有一个好处,就是它不会像烧煤那样产生很多烟,也不会像一些发电厂那样吵闹,它特别环保,对我们的大自然非常友好。

下次你看到屋顶上的太阳能板,就可以跟别人说啦,它里面住着很多非常敏感的“硅”,在太阳光的照耀下,它们就能变出我们需要的电呢!”

网友意见

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这就要首先解释解释,什么是「太阳能」,什么是「电」。

1、太阳能

这里说的「太阳能」,其实就太阳光所含有的能量。光,其实也是一种电磁波,准确的说,是电磁波谱中的一个波段。电磁波,听名字就知道,它是一种波,这就好比是一根绳子,你拿着一端上下甩动,然后这个上下的波动就会沿着绳子传播出去:

电磁波其实是由两部分构成的,一个是电场,另一个磁场,电场波动产生磁场,磁场波动产生电场,这正是:

你中有我,我中有你。
你产生我,我产生你。
你爱我啊我爱你
电场磁场甜蜜蜜

好比两个瘸子相互扶持,才能一路前行。


在电磁波谱中,波长从760纳米到400nm的一段对应的就是可见光,而颜色则是红橙黄绿蓝靛紫的顺序:

红外线的波长比红色还长,而紫外线的波长则比紫色更短,X射线和伽马射线则属于能量更高、波长更短的电磁波,而家用微波炉中使用的就是微波,它的波长更长,频率更低。

2、电

我们普通说的「电」,可以认为就是电线里的「电流」。那电流又是什么呢?

导线一般都是导体,比如各种金属。金属则是由原子构成的,原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的,原子核特别重,而电子特别轻。

在导体中,有一部分的电子放荡不羁爱自由,原子核束缚不太住它们,因此这些电子就能很容易地在原子之间自由穿梭。当把导线连接到电池两端的时候,就会在导线内形成一个电场。电子带电,在电场中会受到电场力的作用而运动。所以导线中的电子就会移动,形成电流。就好比是水在水管中流动一样,水泵就好比是电池,提供动力。

3、太阳能发电

刚才说的,其实可以提炼出两个重点:

  1. 电子在电场中会受到电场力的作用;
  2. 电磁波中也有电场。

所以,太阳发出的电磁波,里面的电场和磁场相互扶持,一瘸一拐地来到地面,照到太阳能电池板中。

太阳能电池板跟导体不一样:导体中有一部分电子放荡不羁爱自由,原子核束缚不住它;而太阳能电池板用的是半导体,其中的电子能被原子核束缚住,但是也容易被别的原子核拐跑,束缚住了,但又没完全束缚住。

所以,当阳光照射到太阳能电池板上时,里面的电场还在振荡呢,电子也就跟着振荡,这个电场就把电子甩啊甩啊,没几下就给甩出来了,也变得放荡不羁爱自由了。

于是,这些被甩出来的电子也就形成了电流,也就是,太阳能发电了。


因为是讲给小孩子听的,所以本文中的一些内容做了简化和形象化处理:

1、电子在磁场中也有力的作用;

2、实际上,太阳能发电是涉及到了光电效应,完整地解释需要用到量子力学的概念,而不应该使用经典的电磁场和电子运动轨道的概念。


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