原電池實(shí)驗(yàn)探究輔助理解電源電動(dòng)勢

寧夏回族自治區(qū)銀川一中(750001) 汪路斌

對電源電動(dòng)勢的理解一直是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生存在很多誤解，認(rèn)為“電動(dòng)勢大的非靜電力做功就多”“電動(dòng)勢大的非靜電力做功就快”，諸如此類的問題都是學(xué)生學(xué)習(xí)中較常見的問題。學(xué)生在化學(xué)課中學(xué)習(xí)過原電池，但很難與物理學(xué)中的電動(dòng)勢知識結(jié)合起來。本文探究原電池電動(dòng)勢的影響因素，幫助學(xué)生將原電池知識與電動(dòng)勢概念相融合。探究溶液濃度對原電池電流的影響，幫助學(xué)生理清電流(內(nèi)阻)與電動(dòng)勢的關(guān)系，消除對“化學(xué)反應(yīng)速率越大，電流越大，電動(dòng)勢越大”的誤解。最后，通過導(dǎo)體棒切割磁感線實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步闡述電動(dòng)勢的概念。

1 探究原電池電動(dòng)勢的影響因素

探究電源電動(dòng)勢的裝置如圖1所示，直接將電壓表接在電極上，測量原電池兩端的電壓，該路端電壓近似可以認(rèn)為是電源的電動(dòng)勢。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 探究兩電極之間的距離對電動(dòng)勢的影響

濃度為2 mol/L的稀硫酸，電極為銅和鋅，鋅板接電壓表負(fù)接線柱，銅板接電壓表正接線柱。控制其他條件不變，只改變兩極板間距離，記錄電壓表讀數(shù)(見表1)。

表1 探究兩電極之間的距離對電動(dòng)勢的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 探究兩電極插入溶液的深度對電動(dòng)勢的影響

濃度為2 mol/L的稀硫酸，電極為銅和鋅，鋅板接電壓表負(fù)接線柱，銅板接電壓表正接線柱?？刂破渌麠l件不變，只改變兩電極插入溶液的深度，兩電極每次插入的深度是相同的，記錄電壓表讀數(shù)(見表2)。

表2 探究兩電極插入溶液的深度對電動(dòng)勢的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 探究溶液濃度對電動(dòng)勢的影響

純度為98%的濃硫酸10 mL，逐次加蒸餾水10 mL，改變?nèi)芤簼舛龋姌O為銅和鋅，鋅板接電壓表負(fù)接線柱，銅板接電壓表正接線柱，控制其他條件不變，記錄電壓表讀數(shù)(見表3)。

表3 探究溶液濃度對電動(dòng)勢的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4 探究電極材料對電動(dòng)勢的影響

濃度為2 mol/L的稀硫酸20 mL，改變電極材料，控制其他條件不變，記錄電壓表讀數(shù)(見表4)。

表4 探究電極材料對電動(dòng)勢的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(單位：V)

分析表1、2可知，原電池兩電極之間的距離，電極在溶液中的深淺(電極與溶液的接觸面積)對電源電動(dòng)勢沒有影響；從表3中可知，溶液濃度對電動(dòng)勢也幾乎沒有影響，表3中的第一個(gè)數(shù)據(jù)是由于濃硫酸與金屬鋅的反應(yīng)方程式與稀硫酸不同導(dǎo)致；表4反映了電極材料對電源電動(dòng)勢的影響，兩電極金屬活動(dòng)性的差異對電動(dòng)勢影響很大。

高中物理課本中電動(dòng)勢反映非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)，等于非靜電力把1 C的正電荷從負(fù)極移送到正極所做的功。搬運(yùn)單位電荷非靜電力做功越多，表明能量轉(zhuǎn)化本領(lǐng)越大，電動(dòng)勢越大。同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，對應(yīng)的化學(xué)能的變化是相同的，即化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的多少是確定的，即電動(dòng)勢是確定的，與電極間距、電極的深淺(接觸面積)、溶液濃度均無關(guān)。電極材料不同時(shí)，反應(yīng)方程式不同，化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移一個(gè)電子對應(yīng)的化學(xué)能不同，即搬運(yùn)單位單荷從電源的一極到另一極非靜電力做功不同，電動(dòng)勢不同，表3中的第一組數(shù)據(jù)也是一個(gè)很好的佐證，由于鋅與濃、稀硫酸的反應(yīng)方程式不同，導(dǎo)致電動(dòng)勢不同。

化學(xué)中用標(biāo)準(zhǔn)電極電勢來衡量金屬單質(zhì)在水溶液中失去電子能力大小，即金屬活動(dòng)性。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電勢為零，其他電極的電勢就是該電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池的電動(dòng)勢。標(biāo)準(zhǔn)氫電極指將101.3 kPa的氫氣通到浸入氫離子濃度為1 mol/L的鉑黑上，使鉑黑吸附氫氣至飽和，這時(shí)鉑片就好像用氫制成的電極，就是標(biāo)準(zhǔn)氫電極。從金屬活動(dòng)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)來看，化學(xué)上先用了電動(dòng)勢概念，再有了金屬活動(dòng)性。這也反過來說明了電動(dòng)勢取決于金屬活動(dòng)性。

2 驗(yàn)證原電池內(nèi)阻的影響因素

水果電池的電極間距增大，電源的內(nèi)阻增大，相當(dāng)于增大了金屬導(dǎo)體沿電流方向的長度，電極插入水果越深，電源內(nèi)阻越小，相當(dāng)于增大了金屬導(dǎo)體垂直于電流方向的橫截面積。同理，電解質(zhì)為溶液的原電池間距增大，內(nèi)阻應(yīng)該增大，電極浸入溶液越深，內(nèi)阻應(yīng)該越小，溶液的濃度越大，自由電荷越多，內(nèi)阻也應(yīng)該越小。以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 驗(yàn)證兩電極之間的距離對電流的影響

溶液為2 mol/L的稀硫酸80 mL，電極材料為錫和銅，將圖1的電壓表換成電流表，錫板接電流表負(fù)接線柱，銅板接電流表正接線柱，改變兩極板之間的距離，記錄電流表示數(shù)(見表5)。

表5 驗(yàn)證兩電極之間的距離對電流的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 驗(yàn)證兩電極插入溶液的深度對電流的影響

溶液為2 mol/L的稀硫酸80 mL，電極材料為錫和銅，將圖1的電壓表換成電流表，錫板接電流表負(fù)接線柱，銅板接電流表正接線柱，改變兩極板插入溶液的深度，記錄電流表示數(shù)(見表6)。

表6 驗(yàn)證兩電極插入溶液的深度對電流的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 驗(yàn)證溶液濃度對電流的影響

純度為98%的濃硫酸10 mL，逐次加蒸餾水10 mL，改變?nèi)芤簼舛?，電極為銅和錫，將圖1的電壓表換成電流表，錫板接電流表負(fù)接線柱，銅板接電流表正接線柱，控制其他條件不變，記錄電流表讀數(shù)(見表7)。

表7 驗(yàn)證溶液濃度對電流的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5驗(yàn)證了間距越大，電流越小，內(nèi)阻越大；表6驗(yàn)證了深度越深，電流越小，內(nèi)阻越大，也可理解為，深度越深，溶液與金屬的接觸面積越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的金屬原子數(shù)目越多，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目越多，即電流越大；表7中電流隨濃度減小，先增大后減小，看似反常，其實(shí)正常，剛開始兩組是錫與濃硫酸的反應(yīng)，到第3組過渡到與稀硫酸反應(yīng)，與稀硫酸反應(yīng)時(shí)濃度越小，電流越小，自由電荷越小，內(nèi)阻越大，也可理解為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的金屬原子數(shù)目隨濃度減小而降低，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目減少，電流變小。

電動(dòng)勢和內(nèi)阻是從兩個(gè)不同角度描述電源的性質(zhì)。電動(dòng)勢反映的是非靜電力將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)，搬運(yùn)1 C正電荷從電源負(fù)極到正極做的功，既不是反映電能轉(zhuǎn)化的快慢，也不是反映電能轉(zhuǎn)化的多少。以原電池為例，與化學(xué)反應(yīng)的速率無關(guān)，稀硫酸濃度的降低不影響電動(dòng)勢，與能量轉(zhuǎn)化快慢無關(guān)；與化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物總量無關(guān)，溶液的多少，插入的深度都不造成電動(dòng)勢的變化，與能量轉(zhuǎn)化多寡無關(guān)，1、5、7號干電池電動(dòng)勢都為1.5 V。

內(nèi)阻的大小與極板間距有關(guān)，間距越大，相當(dāng)于導(dǎo)體沿電流方向長度增長，內(nèi)阻越大；稀硫酸溶液濃度越大，反應(yīng)速率越大，電流越大，相當(dāng)于增大了電導(dǎo)率，內(nèi)阻越??；插入溶液深度越深，接觸面積越大，單位時(shí)間反應(yīng)物消耗越多，電荷轉(zhuǎn)移越多，電流越大，相當(dāng)于導(dǎo)體橫截面積增大，內(nèi)阻減小。

3 導(dǎo)體棒切割磁感線實(shí)驗(yàn)深層次闡述電動(dòng)勢

圖2 導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動(dòng)