巧用常見“酸性飲料
——鋅銅原電池”研究閉合電路

廣東省陽山縣陽山中學(xué)(513100) 譚 程

1 問題提出背景

隨著新一輪課改的推進(jìn)，粵教版高中物理各冊教材均已出爐，這些教材都明顯地彰顯出了“反映課改理念、順應(yīng)時代要求”的特征，特別是教材中無論是課堂演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，都發(fā)生了“天翻地覆”的變化，不再是那種“菜譜式”的實(shí)驗(yàn)。其中粵教版第3冊第4章第2節(jié)的教學(xué)內(nèi)容安排為探究“閉合電路的歐姆定律”。對這一節(jié)內(nèi)容在“探究電源電動勢E與路端電壓U外、內(nèi)電壓U內(nèi)之間的關(guān)系”和“路端電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系”時，若沿用教材中介紹的如圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行教學(xué)將存在以下兩個明顯的不足點(diǎn)。

圖1 教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置危險且不環(huán)保

眾所周知這一節(jié)課所探究的兩個核心問題是“探究電源電動勢E與路端電壓U外、內(nèi)電壓U內(nèi)之間的關(guān)系”以及“路端電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系”。教材中在介紹探究這兩個核心問題的實(shí)驗(yàn)中，所用的原電池是由“硫酸、銅片和鋅片”3種材料做成的原電池。大家知道硫酸是一種具有腐蝕性的酸性液體，所以很多教師在用該原電池探究閉合電路的歐姆定律時，都不敢采用分組實(shí)驗(yàn)，這就導(dǎo)致了探究者淪為教師，學(xué)生是觀眾，整過探究過程學(xué)生雖然參與但不能親歷。這種“觀摩”式的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，學(xué)生對于閉合電路中常涉及到的重要概念(“路端電壓U外、內(nèi)電壓U內(nèi)和內(nèi)電阻”)的理解仍處于一種“霧里看花”的狀態(tài)，最后只能靠“死記硬背”來掌握這些概念。

1.2 實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容過于單一

由于教材中所用的“硫酸——鋅銅原電池”具有一定的危險性，所以在實(shí)際操作中實(shí)驗(yàn)時間和范圍等將受到限制，這就導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)器材在實(shí)驗(yàn)中所要探究的內(nèi)容也會受到限制。本節(jié)內(nèi)容中所用到的“硫酸——鋅銅原電池”所探究的內(nèi)容很單一，只“探究電源電動勢E與路端電壓U外、內(nèi)電壓U內(nèi)之間的關(guān)系”，而“路端電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系”只是采用了理論推導(dǎo)的方式，直接得出了結(jié)論，并未從實(shí)驗(yàn)中得出。實(shí)際上本實(shí)驗(yàn)裝置還可以同時探究“路端電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系”，這樣更能體現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的探究價值。

為此，筆者提出了改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的裝置做法，利用“酸性飲料——鋅銅原電池”替代“硫酸——鋅銅原電池”研究閉合電路。這樣本節(jié)課的兩個核心問題就可同時讓學(xué)生自行探究解決，具體研究過程如下。

2 “飲料——鋅銅原電池”制作的探究過程

2.1 實(shí)驗(yàn)猜想

鋅、銅兩種金屬的活潑性質(zhì)不同，當(dāng)將這兩種金屬和稀硫酸做成原電池后，化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬鋅失去電子，銅得到電子，其反應(yīng)原理如圖2所示。由此可知，如果用呈酸性的常見飲料替代稀硫酸，如雪碧、可樂是否也能做成原電池呢？

圖2 鋅銅原電池反應(yīng)原理

2.2 收集實(shí)驗(yàn)材料

在日常生活中常見的飲料有“可口可樂、雪碧、天地1號和橙汁”等，通過借助pH試紙檢測上述飲料的酸堿性，具體內(nèi)容見表1。

表1 常見飲料的pH值

發(fā)現(xiàn)“可口可樂、雪碧、天地1號和橙汁”等常見飲料都呈酸性，于是本次實(shí)驗(yàn)選取了以上常見的酸性飲料來替代稀硫酸分別與鋅銅兩種金屬來構(gòu)成原電池。

2.3 實(shí)驗(yàn)器材的初步設(shè)想

結(jié)合以上分析，完成本實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)器初步設(shè)想如下：①常見飲料：可口可樂、雪碧、天地1號和橙汁；②電壓表2個、安培表1個；③滑動變阻器(0～50 Ω)1個；④開關(guān)3個；⑤原電池活潑性不同的金屬鋅和銅，鋅作負(fù)極，銅作正極；⑥導(dǎo)線若干。

2.4 實(shí)驗(yàn)器材的進(jìn)一步改進(jìn)

將以上提供的實(shí)驗(yàn)器材先制作好“酸性飲料——鋅銅原電池”，再用多用電表的直流電壓檔依次粗測各種“酸性飲料——鋅銅原電池”的電動勢，測量結(jié)果見表2。

表2 測量酸性飲料—鋅銅原電池的電動勢

結(jié)果發(fā)現(xiàn)用4種“酸性飲料——鋅銅原電池”的電動勢都只有1 V左右，于是立即將2個電壓表更換為毫伏電壓表。

再根據(jù)圖1將實(shí)驗(yàn)器材連接好，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電路中的電流很小，電流表的指針偏轉(zhuǎn)角度很小，于是將電流表更換為毫安表。

將電壓表、電流表都更換后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：即使滑動變阻器的阻值調(diào)到最大阻值，外電壓U外依然很小，說明“酸性飲料——鋅銅原電池”內(nèi)阻很大，其次移動滑動變阻器的滑片時，電路中的外電壓U外幾乎變化不大，于是將滑動變阻器更換為電阻箱(0～9 999 Ω)。

3 用“酸性飲料——鋅銅原電池”研究閉合電路

為了便于比較，自作好的“酸性飲料——鋅銅原電池”中所用的鋅片和銅片是同一規(guī)格的，同時每種類型的“酸性飲料——鋅銅原電池”所用飲料的體積都控制在200 mL。為了便于探究，將常見飲料分為了兩大類：“碳酸飲料”和“果汁飲料”。然后按圖3所示裝置分別制作了這兩類型的飲料原電池并進(jìn)行了“探究電源電動勢與內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的關(guān)系”以及“探究路端電壓U外與總電流I總的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，具體探究內(nèi)容如下。

圖3 “酸性飲料——鋅銅原電池”實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 碳酸酸飲料鋅銅原電池

案列1：“可樂——鋅銅原電池”

利用可樂做成的“可樂——鋅銅原電池”，按照圖3連接好實(shí)驗(yàn)器材，通過改變電阻箱的讀數(shù)來改變電路中的電流、內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的大小，得到了表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到外電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系圖像見圖4。

圖4 U外-I總圖像1

實(shí)驗(yàn)分析如下：

(1)電源電動勢E與內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的關(guān)系

從表中的數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：電源的電動勢E等于電路中的外電壓U外和內(nèi)電壓U內(nèi)之和，即：E=U外+U內(nèi)。

(2)路端電壓U外與總電流I總的關(guān)系

根據(jù)E=U外+U內(nèi)和部分電路的歐姆定律 可得：U外=E-I總r，由此得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：路端電壓U外與總電流I總成線性關(guān)系。

案列2：“雪碧——鋅銅”原電池

利用雪碧做成的“雪碧——鋅銅原電池”，按照圖3連接好實(shí)驗(yàn)器材，通過改變電阻箱的讀數(shù)來改變電路中的電流、內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的大小，得到了表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到外電壓U外與總電流I總之間的關(guān)系圖像，見圖5。

圖5 U外-I總圖像2

實(shí)驗(yàn)中同樣可以得出案例1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

(1)電源電動勢E與內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的關(guān)系：E=U外+U內(nèi)。

(2)路端電壓U外與總電流I總的關(guān)系:路端電壓U外與總電流I總成線性關(guān)系。

3.2 果汁酸飲料鋅銅原電池

案列3：“天地1號——鋅銅原電池”

利用天地1號做成的“天地1號——鋅銅”原電池，按照圖3連接好實(shí)驗(yàn)器材，通過改變電阻箱的讀數(shù)來改變電路中的電流、內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的大小，得到了表5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下的關(guān)于外電壓U外與總電流I總的關(guān)系圖像見圖6。

圖6 U外-I總圖像3

實(shí)驗(yàn)中同樣可以得出案例1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

案列4：“橙汁——鋅銅原電池”

利用橙汁做成的“橙汁——鋅銅原電池”，按照圖3連接好實(shí)驗(yàn)器材，通過改變電阻箱的讀數(shù)來改變電路中的電流、內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的大小，得到了表6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下的關(guān)于外電壓U外與總電流I總的關(guān)系圖像見圖7。

圖7 U外-I總圖像4

實(shí)驗(yàn)中同樣可以得出案例1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 結(jié)束語

通過大量的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)：“酸性飲料、銅和鋅原電池”可以替代“硫酸、銅和鋅原電池”，并能用于探究閉合電路的歐姆定律。這個實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不但環(huán)保，而且與保護(hù)自然的生態(tài)文明理念相吻合，更重要的是可以讓學(xué)生真正參與并開展對本實(shí)驗(yàn)的探究。