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【摘 要】本文对人体每天行走所损失的化学能及机械能进行研究分析，试图将其所损失的能量加以聚集并重新利用达到提高能源利用率的效果，通过理论分析并结合实验验证，制作出实体模型充电鞋辅助研究，做出初步可行性分析，并以此为基础设计出舒适性与功能性相结合的实体充电鞋。研究内容符合节能低碳，实现能源的循环利用，由于可实现充电，以备人们外出旅行的不时之需，具有一定应用前景。
【关键词】电磁感应原理；节能；充电；环保
走路是我们每个人每天不得不进行的体育锻炼，当然在此其间会做大量的功，包括人体行走过程中的重力势能及动能的消耗，而根据电磁感应定律，导体在磁场中做切割磁感线运动会产生感应电动势，由于人体每天是在不停的运动着，以此为基础，我们设计出充电鞋来实现能量的再利用。能够让人们在每天不在主的运动中实现发电，使人们走路、运动时自身浪费的能量得以储存并做到再次利用，可以在一定程度上代替手机、电脑等移动电源的功能，以备人们的不时之需，在节能环保同时兼顾了舒适性。
1.实验经验分析
1.1定量分析每个人平均每天损失的能量
实验假设：设体重60公斤的成年人，每天行走时抬脚15厘米，每天行走5公里，一次迈步50厘米，所浪费的重力势能就有900000焦耳，与此相比，运动中损失的动能更是远超过这个数值，如此巨大的能源消耗为我们的实验设计提供可行性背景。
1.2前人实验经验
一群来自美国乔治亚州科技大学的科学家多年来致力于“纳米发电机”的研发，他们发现氧化锌制成的金属丝受振动时会产生微弱电量，而理论上来说，人体的任何一个动作，比如弹手指，都能产生振动，进而发电。该科研项目的首席研究员王中林（音译）博士表示，他们使用数百万条纳米金属丝制成一个“纳米发电机”。在王博士的试验中，由5个“纳米发电机”组成的微型晶片就能产生3伏特电量，这相当于两颗AA电池的能量。为本项目提供了直接的物质依据。
2.对充电鞋可行性与实用性的分析与研究
2.1实验设计原理
根据法拉第发现的电磁感应定律：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流。将圆柱形磁铁放入一个半径与磁铁接近 磁铁在管中可以上下自由运动，封住关口前在两个管口处用强力胶黏住两个弹簧用以增加活动性并减少噪音。封住管口后细心的在管外紧密的缠上一圈圈导线，注意将导线缠到管的中间时要改变缠绕方向因为磁铁上下两端导线切割磁感线方向是相反的。由于导管内磁铁上下运动会产生不同方向电流，所以在充电电池和磁铁管之间还要连有二极管从而达到限定电流方向，并减少自感影响的目的，装上开关并且将导线两端连接到充电电池上装置就完成了。装置完成后可以固定在一个小的容器内，并将它固定在鞋上这样当你走路或跑步时就能对充电电池进行充电，充满电后便可将其拆卸下来试用了。
2.2实验仪器与装置
实验仪器：内部磁棒直径6mm长7cm，内部两侧弹簧长度1.2cm，螺线管内径7mm，外径11mm，长16.5cm，导线线圈直径11mm，导线直径1mm，131匝，二极管，充电电池，秒表，万用表。
2.3实验过程与数据分析记录
通过模拟人在不同的走路速度下，产生的感应电动势多少来具体分析该装置的應用价值与前景。其中，走路的速度采用间接测量方法：让实验人穿上附有该装置的运动鞋分别以其不同的均匀速率行走，该发电装置与万用表相连，万用表附于实验人身体上。在实验人行走时间为t，一步行走距离为L，在t时间内行走步数为N，行走速度V=，对应的感应电动势由万用表趋于稳定时数值E.一步距离L=0.6m 装置质量m=50.02g。
直线的解析式为：y=0.0777x-0.0812，即产生的感应电动势E随着行走速度V的增加而增大，且基本上呈线性增长关系，且只有当速度达到一定时才会有感应电动势生成，理论分析得V的临界值为1.04505m/s。
2.4实验结论
（1）由实验数据可得出最终拟合速度V与感应电动势E曲线y=
0.0777x-0.0812，当行走速度V达到0.104505m/s时，可产生感应电动势，并且感应电动势随着速度的增加而呈线性增大，与电磁感应理论 E=NBLV的趋势基本吻合。
（2）人们行走速度一般情况下为3m/s，由关系曲线可之其产生感应电动势大约为0.15V，而一节干电池的电压为1.5V，由此可以推算，该装置具有开发潜能与一定的实用价值。
（3）由电磁感应定律可知，我们还可以通过增加线圈匝数，增大磁片的磁感应强度，将螺线管内抽成真空以减小运动阻力等一系列方法来增大产生的感应电动势，同时，我们所测数据仅是一根发电装置所产生的电动势，若应用于运动鞋内，假设每只鞋内可左右对称放置两根，一双鞋产生其电动势又会增至四倍，由此可见，该运动鞋每天产生的电量将会非常可观。
3.产品应用前景分析
该充电鞋利用鞋跟底部装置来捕获、产生和存储电量，从而为移动设备的电池续航问题提供新的解决方案。为了产生能源，该运动鞋会把人体的每一步运动转化成可利用电量。人体摇晃腿部及踩上地面时便会产生能量，这时底部装置便会捕获该能量存储在外部电池中。人体行走2.5英里（约4公里）大概能够产生一部智能手机使用的电量。
现在我国提倡全民健身运动，强身健体，这样运动人群每天消耗的能量便能适量存储起来，以作他用，例如可以给手机，电子词典等小型用电设备充电，以备人们的不时之需，节能环保同时兼顾了舒适性。同时，该小型发电装置具有质量轻便、节能环保等优点，既能够组装在运动鞋内，又能拆下来装到自行车等其他物品上，可供青年人DIY，会具有很广阔的市场。生产成本较小，应用领域广泛，加之适当的宣传，外观的设计，能够在青年人中打出一片天地，获取理想的经济效益。同时该充电鞋具有更加深远的应用，例如不仅可以帮助军人、护林人员或其他遇到自然灾害的人，还可以那些生活在遥远地区电力资源匮乏的人们。然而充电鞋垫仍然存在一些问题，如水和汗的影响以及鞋子尺寸大小等。对此我们还需要进一步作出改善与研究。
【参考文献】
[1]陈秉乾，王稼军.大学物理通用教程电磁学.北京大学出版社，2012.
[2]钟锡华，周岳明.大学物理通用教程力学.北京大学出版社，2011.
[3]陈大跃，丁洪，周新宇，林良明，卢钢，孙志宏.人体行走的步态测试与分析系统，1997.
[4]胡新辉.图像法在处理电磁感应问题的优势及培养学生作用，2013.
[5]王长贵，王淳.小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理.中国电力出版社，2004.
【关键词】电磁感应原理；节能；充电；环保
走路是我们每个人每天不得不进行的体育锻炼，当然在此其间会做大量的功，包括人体行走过程中的重力势能及动能的消耗，而根据电磁感应定律，导体在磁场中做切割磁感线运动会产生感应电动势，由于人体每天是在不停的运动着，以此为基础，我们设计出充电鞋来实现能量的再利用。能够让人们在每天不在主的运动中实现发电，使人们走路、运动时自身浪费的能量得以储存并做到再次利用，可以在一定程度上代替手机、电脑等移动电源的功能，以备人们的不时之需，在节能环保同时兼顾了舒适性。
1.实验经验分析
1.1定量分析每个人平均每天损失的能量
实验假设：设体重60公斤的成年人，每天行走时抬脚15厘米，每天行走5公里，一次迈步50厘米，所浪费的重力势能就有900000焦耳，与此相比，运动中损失的动能更是远超过这个数值，如此巨大的能源消耗为我们的实验设计提供可行性背景。
1.2前人实验经验
一群来自美国乔治亚州科技大学的科学家多年来致力于“纳米发电机”的研发，他们发现氧化锌制成的金属丝受振动时会产生微弱电量，而理论上来说，人体的任何一个动作，比如弹手指，都能产生振动，进而发电。该科研项目的首席研究员王中林（音译）博士表示，他们使用数百万条纳米金属丝制成一个“纳米发电机”。在王博士的试验中，由5个“纳米发电机”组成的微型晶片就能产生3伏特电量，这相当于两颗AA电池的能量。为本项目提供了直接的物质依据。
2.对充电鞋可行性与实用性的分析与研究
2.1实验设计原理
根据法拉第发现的电磁感应定律：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流。将圆柱形磁铁放入一个半径与磁铁接近 磁铁在管中可以上下自由运动，封住关口前在两个管口处用强力胶黏住两个弹簧用以增加活动性并减少噪音。封住管口后细心的在管外紧密的缠上一圈圈导线，注意将导线缠到管的中间时要改变缠绕方向因为磁铁上下两端导线切割磁感线方向是相反的。由于导管内磁铁上下运动会产生不同方向电流，所以在充电电池和磁铁管之间还要连有二极管从而达到限定电流方向，并减少自感影响的目的，装上开关并且将导线两端连接到充电电池上装置就完成了。装置完成后可以固定在一个小的容器内，并将它固定在鞋上这样当你走路或跑步时就能对充电电池进行充电，充满电后便可将其拆卸下来试用了。
2.2实验仪器与装置
实验仪器：内部磁棒直径6mm长7cm，内部两侧弹簧长度1.2cm，螺线管内径7mm，外径11mm，长16.5cm，导线线圈直径11mm，导线直径1mm，131匝，二极管，充电电池，秒表，万用表。
2.3实验过程与数据分析记录
通过模拟人在不同的走路速度下，产生的感应电动势多少来具体分析该装置的應用价值与前景。其中，走路的速度采用间接测量方法：让实验人穿上附有该装置的运动鞋分别以其不同的均匀速率行走，该发电装置与万用表相连，万用表附于实验人身体上。在实验人行走时间为t，一步行走距离为L，在t时间内行走步数为N，行走速度V=，对应的感应电动势由万用表趋于稳定时数值E.一步距离L=0.6m 装置质量m=50.02g。
直线的解析式为：y=0.0777x-0.0812，即产生的感应电动势E随着行走速度V的增加而增大，且基本上呈线性增长关系，且只有当速度达到一定时才会有感应电动势生成，理论分析得V的临界值为1.04505m/s。
2.4实验结论
（1）由实验数据可得出最终拟合速度V与感应电动势E曲线y=
0.0777x-0.0812，当行走速度V达到0.104505m/s时，可产生感应电动势，并且感应电动势随着速度的增加而呈线性增大，与电磁感应理论 E=NBLV的趋势基本吻合。
（2）人们行走速度一般情况下为3m/s，由关系曲线可之其产生感应电动势大约为0.15V，而一节干电池的电压为1.5V，由此可以推算，该装置具有开发潜能与一定的实用价值。
（3）由电磁感应定律可知，我们还可以通过增加线圈匝数，增大磁片的磁感应强度，将螺线管内抽成真空以减小运动阻力等一系列方法来增大产生的感应电动势，同时，我们所测数据仅是一根发电装置所产生的电动势，若应用于运动鞋内，假设每只鞋内可左右对称放置两根，一双鞋产生其电动势又会增至四倍，由此可见，该运动鞋每天产生的电量将会非常可观。
3.产品应用前景分析
该充电鞋利用鞋跟底部装置来捕获、产生和存储电量，从而为移动设备的电池续航问题提供新的解决方案。为了产生能源，该运动鞋会把人体的每一步运动转化成可利用电量。人体摇晃腿部及踩上地面时便会产生能量，这时底部装置便会捕获该能量存储在外部电池中。人体行走2.5英里（约4公里）大概能够产生一部智能手机使用的电量。
现在我国提倡全民健身运动，强身健体，这样运动人群每天消耗的能量便能适量存储起来，以作他用，例如可以给手机，电子词典等小型用电设备充电，以备人们的不时之需，节能环保同时兼顾了舒适性。同时，该小型发电装置具有质量轻便、节能环保等优点，既能够组装在运动鞋内，又能拆下来装到自行车等其他物品上，可供青年人DIY，会具有很广阔的市场。生产成本较小，应用领域广泛，加之适当的宣传，外观的设计，能够在青年人中打出一片天地，获取理想的经济效益。同时该充电鞋具有更加深远的应用，例如不仅可以帮助军人、护林人员或其他遇到自然灾害的人，还可以那些生活在遥远地区电力资源匮乏的人们。然而充电鞋垫仍然存在一些问题，如水和汗的影响以及鞋子尺寸大小等。对此我们还需要进一步作出改善与研究。
【参考文献】
[1]陈秉乾，王稼军.大学物理通用教程电磁学.北京大学出版社，2012.
[2]钟锡华，周岳明.大学物理通用教程力学.北京大学出版社，2011.
[3]陈大跃，丁洪，周新宇，林良明，卢钢，孙志宏.人体行走的步态测试与分析系统，1997.
[4]胡新辉.图像法在处理电磁感应问题的优势及培养学生作用，2013.
[5]王长贵，王淳.小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理.中国电力出版社，2004.