可樂電池典型問題的研究與突破

陳燕琴

摘 要：可樂化學原電池因其內(nèi)部結構的可視性及其內(nèi)電壓的可測性使其在高中物理恒定電流的教學中具有很強的實驗演示與學生實驗等教學功能，但實踐中經(jīng)常出現(xiàn)可樂電池內(nèi)外電壓之和不穩(wěn)定甚至總電阻不變時內(nèi)外電壓值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，通過多次實踐研究，找到了可樂電池電壓不穩(wěn)定的原因與解決措施，實現(xiàn)了優(yōu)化可樂電池的目的，取得了較好實驗效果.

關鍵詞：可樂電池;內(nèi)電壓;外電壓;定量測量;數(shù)據(jù)穩(wěn)定

人教版選修3-1第二章恒定電流中，諸多內(nèi)容需要圍繞“電源”展開教學，例如“電源和電流”“電動勢”“閉合電路歐姆定律”“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”等.干電池、蓄電池等往往由于其內(nèi)部結構的不直觀性而給學生的理解造成一定的障礙，化學原電池的使用可在保留電池基本功能的同時呈現(xiàn)直觀的內(nèi)部結構和工作原理，更易于教學難點和學生思維障礙的突破.然而以硫酸為電解液的化學原電池由于安全隱患而往往只能局限于演示實驗，學生無法親手實踐、嘗試，始終存有不小的教學遺憾.可樂電池不僅取材容易制作簡單，更能使上述問題迎刃而解，然而實踐中發(fā)現(xiàn)可樂電池經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)外電壓之和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，以及在回路總電阻不變時出現(xiàn)電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)測量誤差較大，而相關報道的參考文獻又非常少.筆者通過長期的實踐研究，找出了其中的本質(zhì)原因，并通過一系列的優(yōu)化措施實現(xiàn)了穩(wěn)定可樂電池電壓測量數(shù)據(jù)及穩(wěn)定內(nèi)外電壓之和的效果，進而更好地發(fā)揮其教學實踐功能.

1 可樂電池實驗及其典型問題

1.1 實驗器材

可樂電池（如圖1）、電壓傳感器（或數(shù)字式萬用表如圖2）、可變電阻（如圖3）、導線等.

1.2 實驗原理與電路圖

實驗原理為U外+U內(nèi)=E，電路圖如圖4所示，選用最大阻值為1KΩ的可變電阻作為外電阻.

1.3 實驗數(shù)據(jù)記錄

實驗數(shù)據(jù)記錄見表1.

1.4 實驗數(shù)據(jù)分析

觀察實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當外電路處于斷開狀態(tài)時，開路電壓較穩(wěn)定.但當外電路接通且外電阻處于最大值1KΩ時，內(nèi)外電壓之和明顯降低，當外電阻從最大值逐漸調(diào)小時，內(nèi)外電壓之和也隨之逐漸減小， 同時當回路總電阻不變時內(nèi)電壓和外電壓測量數(shù)據(jù)處于不斷的波動狀態(tài)，電壓值非常不穩(wěn)定，如圖5所示.實驗中也發(fā)現(xiàn)若將可樂電池電路斷開并靜置一段時間后，其開路電壓又能恢復到0.9V附近，但隨著電路的閉合又會呈現(xiàn)內(nèi)外電壓之和逐漸減小的態(tài)勢.

2 內(nèi)外電壓之和及電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的分析與解決

為什么可樂電池的內(nèi)外電壓之和不是常數(shù)？外電阻減小時為什么內(nèi)外電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定？進一步觀察表1實驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當外電阻處于最大值1KΩ時外電壓也僅有0.19V，而內(nèi)電壓卻有0.55V，說明可樂電池的內(nèi)電阻要遠大于1KΩ.電壓測量數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，是不是因為外電阻阻值不夠大而導致的呢？為此筆者進行了如下實驗設計.

2.1 實驗優(yōu)化方案1：增大外電阻

將外電阻換作最大阻值為100KΩ的可變電阻，實驗數(shù)據(jù)記錄見表2.

從實驗數(shù)據(jù)記錄可以發(fā)現(xiàn)，當外電阻較大時，內(nèi)外電壓之和相對比較穩(wěn)定，而且各組電壓測量過程中也沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象.但當外電阻小到一定程度時，內(nèi)外電壓之和又會明顯減小，且各組電壓又呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài).這說明，外電阻越大越有助于內(nèi)外電壓之和及各組電壓測量值的穩(wěn)定.怎樣才能實現(xiàn)將外電阻減小到較小的阻值時也能得到穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)呢？為此筆者進行了如下實驗設計.

2.2 實驗優(yōu)化方案2：增大內(nèi)電阻

減小可樂電池內(nèi)部可樂與金屬極板的接觸面，即通過減小可樂液面高度實現(xiàn)增大電源內(nèi)阻，如圖6所示.同樣使用最大阻值為100KΩ的可變電阻作為外電阻，實驗數(shù)據(jù)記錄見表3.

增大內(nèi)電阻之后，發(fā)現(xiàn)外電路斷開時內(nèi)電壓值并不為零，但數(shù)值非常小約為0.02V～0.06V，這是因為電壓傳感器的連接使回路中有小電流存在，故而內(nèi)電路中有較小的內(nèi)電壓.但在增大內(nèi)電阻的情況下，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)內(nèi)電壓和外電壓能保持穩(wěn)定，而且即使當外電阻調(diào)到較小的電阻值時，內(nèi)外電壓之和仍能保持穩(wěn)定，如圖7所示.測量過程中電壓表的讀數(shù)也沒有出現(xiàn)不規(guī)則波動的現(xiàn)象.

2.3 內(nèi)外電壓之和及電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因分析

通過增大外電阻和內(nèi)電阻能有效實現(xiàn)可樂電池內(nèi)外電壓之和的穩(wěn)定及每個電阻值對應的內(nèi)外電壓測量值的穩(wěn)定.這是因為通過增大閉合電路的總阻值減小了電池工作電流，有效防止電池在大電流放電情況下導致的極化現(xiàn)象，這也是為什么當將可樂電池電路斷開靜置一段時間后其開路電壓又能恢復初始值的原因所在.這一現(xiàn)象與用干電池測量電源電動勢和內(nèi)阻實驗中為什么要防止干電池大電流放電的原理一致.

2.4 其他相關實驗改良措施

實踐中，筆者也發(fā)現(xiàn)了其他有助于形成穩(wěn)定的化學反應進而實現(xiàn)實驗測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定的措施：

（1）實驗前應用砂紙除去鋅板表面的氧化層，如圖8所示.

（2）擰開可樂瓶蓋靜置一段時間直至附著在金屬極板表面的氣泡極少.也可輕輕敲擊可樂容器底部使可樂液體中的氣泡快速排出.若靜置12小時，液面及鋅板表面幾乎無氣泡，如圖9所示.本文中所用可樂在開蓋下靜置了24小時.

3 可樂電池的應用實例

3.1 突破電動勢教學難點

通過學生分組實驗測量閉合電路中可樂電池內(nèi)電壓和外電壓值，研究電源內(nèi)外電壓的關系，從而有效建構電動勢的概念.并通過觀察外電阻改變時，內(nèi)外電壓都發(fā)生改變而二者之和保持不變，突破電動勢僅取決于電源本身與其所處的狀態(tài)無關的教學難點.

3.2 演示電源大電流放電的極化現(xiàn)象

大電流放電實驗中，可樂電池內(nèi)外電壓之和明顯下降是因為其電動勢在明顯減小，利用這一直觀的實驗現(xiàn)象，幫助學生體驗為什么電源長時間放電電流不宜太大的原因.

3.3 演示閉合電路歐姆定律

通過利用注射針筒壓縮或抽出氣體（如圖10），使可樂液體連接部分的液面高低發(fā)生改變，通過改變電源內(nèi)電阻，動態(tài)呈現(xiàn)閉合電路中電流的變化，并讓學生直觀體驗電源內(nèi)電阻的存在及其動態(tài)變化，有效引導學生對閉合電路歐姆定律的學習.

3.4 演示測定電池電動勢和內(nèi)電阻

由于可樂電池的內(nèi)電阻大小調(diào)節(jié)非常方便，可以形成非常明顯的外電壓隨外電阻變化而變化的現(xiàn)象，有效解決了傳統(tǒng)實驗中由于電池內(nèi)阻不夠大而導致的電表示數(shù)變化不明顯的難題，進而有效減小實驗誤差.為防止大電流放電導致電池極化，實驗中的電流不能太大.實驗中利用量程為20mA 的多量程電流傳感器測量電流，當電流過小時易導致電流測量誤差的增加，圖11是在增加內(nèi)電阻（降低可樂液面高度）但外電阻較小時所測6組數(shù)據(jù)畫出的U-I圖象.

通過可樂電池電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問題的解決及可樂電池的進一步優(yōu)化，有效化解教師在使用可樂電池中存在的技術障礙，輕松實現(xiàn)電源諸多相關實驗的成功實施，甚至實現(xiàn)教師演示實驗向學生探究實驗的轉變，為學生親身體驗物理知識的發(fā)生、發(fā)展過程提供條件，有效建構物理概念和規(guī)律，滲透科學思維方法，實現(xiàn)物理學科素養(yǎng)的有效培養(yǎng).

參考文獻：

[1] 周上游.用可樂電池測量電源外電壓與內(nèi)電壓的探究[J].實驗設計與技術，2016（S2）：40-41.