探究影響水果電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的因素

一、提出問(wèn)題

初中時(shí)，我們?cè)谱鬟^(guò)一種非常簡(jiǎn)單的電池——水果電池。制作水果電池需要兩種不同的金屬做電極以及電解汁，也就是水果的汁液。將兩種不同的金屬絲或金屬片插入一個(gè)水果中，就制成了一個(gè)水果電池。

最近，我們學(xué)習(xí)了高二物理《恒定電流》中測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，由此我們想：能否測(cè)出水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，探究影響水果電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的因素？

二、猜想與假設(shè)

使用不同的金屬，水果電池的電動(dòng)勢(shì)可能不一樣，可能有很多因素影響水果電池的電動(dòng)勢(shì)。下面我們使用西紅柿、白蘿卜、貢梨等蔬果，逐一研究影響水果電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的因素。

三、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)方案

首先我們決定按照學(xué)過(guò)的測(cè)量干電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方法，使用學(xué)生電表，采用電流表內(nèi)接式。如圖1。

可閉合開關(guān)后，無(wú)論選擇怎樣的量程，滑動(dòng)變阻器最大阻值怎樣變換，都無(wú)法測(cè)出正常的電流電壓值。經(jīng)過(guò)老師的提示，我們決定采用電流表外接法來(lái)減少系統(tǒng)誤差。如圖2。

遺憾的是，在實(shí)驗(yàn)室里，我們發(fā)現(xiàn)毫安表也無(wú)法測(cè)出電流，而且實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有毫伏表，最大阻值的滑動(dòng)變阻器也不起作用，電壓表指針偏轉(zhuǎn)很少，讀數(shù)誤差很大。

經(jīng)過(guò)多次嘗試，我們決定利用多用電表的直流電壓檔（1V或2.5V量程），準(zhǔn)備電阻箱、微安表開關(guān)、導(dǎo)線（帶金屬夾的）若干，按圖3進(jìn)行探究。

照此電路圖，只要改變電阻箱R的阻值，利用多用電表的電壓檔測(cè)出路端電壓U，即可測(cè)出兩組U、R的數(shù)據(jù)，即可得方程組：

解這個(gè)方程組，即可求得水果電池的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r。為減少誤差，應(yīng)改變R值，多測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，分別算出它們的平均值作為測(cè)量結(jié)果。

我們決定用作圖法處理數(shù)據(jù)。在坐標(biāo)紙上以I為橫坐標(biāo)，以路端電壓U為縱坐標(biāo)，根據(jù)U-I圖像的函數(shù)關(guān)系來(lái)探究。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）用不同的金屬材料做電極，但總是使用相同的蔬果，保持電極埋入的深度和距離不變，分別測(cè)出各水果電池的電動(dòng)勢(shì)，研究電極材料對(duì)電動(dòng)勢(shì)的影響。

用不同種類的蔬果，但總是用銅片和鋅片作為電極，保持電極的相互距離不變，改變電極插入的深度，分別測(cè)量下表中各水果電池的電動(dòng)勢(shì)，研究電極插入深度對(duì)電動(dòng)勢(shì)的影響。

（2）用同一個(gè)橙子，總是用銅片和鋅片作為電極，保持電極間距不變，改變電極插入的深度，按照原理電路圖2，測(cè)出多組U—I值，記錄如下。

（3）用同一個(gè)蘿卜，總是用銅片和鋅片作為電極，改變電極插入的距離，按照原理電路圖2測(cè)出多組U—I值，記錄如下。

（4）研究水果電池串聯(lián)與并聯(lián)時(shí)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的大小變化，記錄如下。

四、分析與論證

用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出不同情況下的U-I圖像，并求出水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。

1.蔬果種類的影響

根據(jù)表1、表2、表3、表4的數(shù)據(jù)記錄，在兩個(gè)電極金屬片相同時(shí)（即比較各表的同一列），西紅柿與橙子的電動(dòng)勢(shì)比較接近，銅-鋅材料的達(dá)到0.80V，而白蘿卜和貢梨的比較接近，銅-鋅材料的是0.64V至0.68V。

通過(guò)查詢資料，我們了解水果電池形成的關(guān)鍵之一在于酸性物質(zhì)的含量，酸性物質(zhì)起到電解質(zhì)的作用，往蔬果中插入不同金屬電極并用導(dǎo)線連接起來(lái)，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，便會(huì)形成電流。

我們用PH試紙對(duì)幾種蔬果進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)西紅柿和橙子的試紙顏色偏暖，PH值介于4～5之間，而白蘿卜和貢梨PH值約6～7，白蘿卜試紙的顏色接近綠色。

我們的探究表明，橙子、西紅柿以及檸檬等含有豐富酸性液汁的蔬果作為探究材料的實(shí)驗(yàn)效果較好。

2.電極種類的影響

表1的數(shù)據(jù)記錄表明，對(duì)于白蘿卜電池，銅與鋅的電極組合電動(dòng)勢(shì)最大。表2、表3、表4說(shuō)明其他蔬果也是銅與鋅的電極組合時(shí)電動(dòng)勢(shì)最大。

3.電極深度的影響

從表5可以看出，在電極間距為3cm時(shí)，采取外電路斷開，利用多用電表直流電壓1V檔測(cè)得橙子電池的電動(dòng)勢(shì)隨著電極深度的增加而增加，貢梨也有同樣的特性，說(shuō)明電極深度增加能夠有效增加水果電池的電動(dòng)勢(shì)。

另外，根據(jù)表6、表7、表8作出的U-I圖像，圖線①對(duì)應(yīng)表6的數(shù)據(jù)，圖線②對(duì)應(yīng)表7的數(shù)據(jù)，圖線③對(duì)應(yīng)表8的數(shù)據(jù)。從圖線上看，橙子電池的電動(dòng)勢(shì)非常接近，電極深度增加時(shí)水果電池內(nèi)阻逐漸變小。

結(jié)合最近學(xué)過(guò)的電阻定律，我們思考后認(rèn)為，這相當(dāng)于增加了導(dǎo)體的橫截面積，所以阻值變小，實(shí)驗(yàn)與理論一致。

4.電極間距的影響

根據(jù)表6、表7、表8作出的U-I圖像，圖線④對(duì)應(yīng)表9的數(shù)據(jù)，圖線⑤對(duì)應(yīng)表10的數(shù)據(jù)，圖線⑥對(duì)應(yīng)表11的數(shù)據(jù)，從圖線上看，白蘿卜電池的電動(dòng)勢(shì)非常接近（即與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)），變化不大，但是在相同條件下，電極間距越大，水果電池電路中產(chǎn)生的電流就越小，說(shuō)明電池的內(nèi)阻越大。

根據(jù)電阻定律所述，電極間的距離越大，電流在回路中的運(yùn)行距離越長(zhǎng)，電路所產(chǎn)生的電阻也就越大。由于水果電池產(chǎn)生的電壓較小，電極距離會(huì)給實(shí)驗(yàn)效果帶來(lái)較為明顯的影響。理想狀態(tài)是在確保兩電極不接觸的前提下，讓它們之間的距離盡可能小。

5.電池連接方式的影響

電池連接分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。單個(gè)水果電池產(chǎn)生的電壓一般較小，電阻較大。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將4個(gè)西紅柿電池串聯(lián)，總電壓雖然增大，但總電阻也相應(yīng)增大，效果并不理想。

通過(guò)并聯(lián)方式，電路中的總電阻減小，電流較大（表13的電流單位改為毫安表示），說(shuō)明多個(gè)水果電池的并聯(lián)有利于改善實(shí)驗(yàn)效果。

（指導(dǎo)老師：朱建山）