閉合電路中ε=U內+U外教學的演示實驗

魏江

閉合電路中ε=U內+U外是電學中的一條重要規律，可是比較抽象，學生理解起來比較困難，所以教學中做好演示實驗、幫助學生理解概念、總結規律是本節教學成功的關鍵。然而教材中給的實驗并沒有具體說明如何制作實驗用的電池，現就此闡述如下：

1.制容器：按圖1尺寸，用厚約3mm的透明有機玻璃做容器。中間用厚度相同的有機玻璃做隔板，隔板中心鉆一個1mm小孔，容器膠合時接縫處要求平整、密合、不滲水（目的是增加電池內阻）。

2.配液：在自制玻璃容器內放入1000mL蒸餾水，加入98%的濃硫酸12mL，配成濃度1.2%的稀硫酸溶液，同時加入適量5%的高錳酸鉀，使溶液呈淡紫色即可（高錳酸鉀是去極劑，可延長電源工作時間）。將配好的溶液充分攪拌后靜置幾分鐘待用。

3.制電極、探針：取厚1mm、寬40mm、長100mm的鋅板一片、銅板三片，用砂紙把鋅板表面上的氧化物和附著物擦去，使鋅板表面平整。用蒸餾水沖洗鋅板，把它的一端立在盛有濃度為5%～10%硫酸溶液和幾滴水銀的盤里，水銀碰到鋅板就黏附在鋅板上。用牙刷或夾有抹布的木棍把黏附在鋅板上的水銀抹開，如鋅板上有斑點（水銀抹不上），可用小刀把它刮凈，再涂水銀（此過程叫汞齊化。原因是由于沒有純凈的鋅板，將不純的鋅板放入稀硫酸溶液中后，鋅板中的雜質——鐵、碳等在酸液中形成微電池，造成鋅板上出現大量氫氣泡，阻止鋅與酸的正常化學反應進行，使電壓逐漸下降。用汞齊化后，水銀把鋅板中的雜質和酸液隔開，鋅板上就不易出現氣泡）。把另外的三片銅板也打磨干凈，如圖（2）安裝。

其中塑料紗網的作用是：（1）盡量讓銅板與鋅板及銅板與銅板靠近，但又不能接觸，使測得的內電壓接近于全部內阻上的電壓；（2）紗網的孔大，鋅離子容易進入溶液，使化學反應順利進行。

4.連接電路：將制好的電極，如圖3放入配好電解液的容器中。鋅板為電源的負極，銅板C為電源的正極，銅板A、B相當于兩個探針，如圖（3）連接電路。本電源的電動勢大約為1.0V，內阻約40～50Ω（內阻主要取決于硫酸溶液的濃度及中間隔板孔徑的大小）。所用的伏特表的量程最好改裝為1.5 V左右，并將兩個伏特表校準，使之有相同的準確度，滑動變阻器的全阻值100 Ω左右調節方便。

本實驗的電動勢較穩定，內阻也較大，能很好地說明電動勢與內、外電壓的關系——ε=U內+U外。

本人的一次實驗數據如下表所示：供參考。

數據說明：外電路開路時，只接V2，內電壓不等于零，原因是由于中間兩探針處于鋅板與銅板C之間的電場中，兩探針間有一定的電勢差。

接V1時，U1≠ε，原因是V1的電阻再大也必有電流通過，其連接導線也有電阻分壓，V1測得的是V1內阻分得的電壓。V1、V2均接入，U內偏大一點，是由于電路中有微弱電流通過，造成U2讀數偏大。外電路短路時，U內略小于ε，原因是兩探針間內阻不是整個電池的內阻造成的。外電阻存在時，U內+U外略小于ε，也是由于U內測的不是整個內阻上的電壓及導線分壓所致。

（作者單位 河北省張家口市宣化第一中學）