水果電池實驗探究

胡佳琦 姚禹涵 彭允熙 李旭輝

本期點評專家

張永強? 高級教師，湖南省十佳科技教師。全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

世界上最早的化學電池是意大利物理學家伏特設計并制成的。他把銅和鋅作為兩個電極插入食鹽溶液，制成最簡單的化學電池。有機電池屬于有待探索的新能源，水果電池是有機電池的一種，它蘊含化學知識中的“原電池原理”，電學知識中的“電流的產生”、“常用電學元件的使用”、“簡單電路的連接方法”等知識。

針對化學人教版新教材必修 2 的學生實驗探究“簡易電池的設計與制作”，為了豐富實驗探究的內容，提高實驗的趣味性，培養自身的探究興趣和能力，我們開展了水果電池最佳實驗條件的探究。

此外，我們還打算在實驗中嘗試用水果電池點亮 LED 燈、帶動小風扇等，增添實驗的趣味性。

一、實驗目的

通過改變水果的種類、電極的種類、電極的間距、電極的深度 4 個變量，探究影響水果電池電流大小的因素，得出簡易水果電池的最佳實驗條件。

二、實驗原理

原電池是將化學能直接轉化為電能的裝置，最簡單的原電池由正負電極和電解質溶液構成一個閉合回路，將一個自發的氧化還原反應劃分為兩個分開進行的半反應，分別在正負電極上分兩處進行。再復雜的原電池反應也必須遵循這些條件。

水果電池由水果（酸性）、兩塊金屬片和導線制作而成。兩塊金屬片的活動性強弱應相差較大，比如銅片和鋅片。鋅片的活動性較強，易失電子，作為負極;相對而言，銅片的活動性較弱，不易失電子，因此作為正極。銅片和鋅片通過電解質（即水果中富含的果酸）和導線構成閉合回路，銅片置換出果酸中的氫離子產生正電荷，鋅片失去電子產生負電荷，因此閉合回路中產生電流。

三、實驗器材

番茄、獼猴桃、檸檬、橘子若干，導線、線夾若干， 電流表一個，發光二極管一根，小電動機一個，鋁片、鋅片、鐵片、銅片各一塊 ，石墨棒一根。

四、探究過程

（一）提出問題

1.水果的種類對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

2.電極的種類對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

3.電極的間距不同對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

4.電極的深度（電極與水果的接觸面積）不同對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

（二）作出假設

1.水果種類、電極種類、電極間距以及電極深度的改變均能對水果電池電流大小產生影響。

2.實驗水果的汁水越多，水果電池產生的電流越大。

3.使用的金屬電極活動性差異越大，水果電池產生的電流越大。

4.電極的間距越小，水果電池產生的電流越大。

5.電極的深度越深（即電極與水果的接觸面積越大），水果電池產生的電流越大。

（三）實驗過程

1.選用兩種已打磨好的電極，在電極后端連上導線，它們相當于電源的正負極， 并將導線接在電流表的正極和負極上。

2.將電極插入水果中，同時測量電極的間距及深度，可看到電流表的指針發生了偏轉，記錄電流表的示數。

3.更改兩個電極插入水果的深度，重復步驟 1、2。

4.更改兩個電極之間的距離，重復步驟 1、2。

5.換用不同的電極材料，重復步驟 1、2。

6.換用不同的水果，重復步驟 1、2、3、4、5。

7.記錄結果。

（四）實驗結果

本次實驗為驗證性實驗，根據假設3，應得出的結論是：使用 Cu-Zn、Cu-Al 電極的水果電池的電流大于使用 Cu-Fe 電極的水果電池電流。然而，我們得出的實驗結果無法驗證這一假設。為了加強實驗的完整性和有效性，我們決定重做涉及 Cu-Zn、Cu-Al 電極的實驗。

（五）問題探究

1.問題分析

經過討論，我們猜測可能是鋁片與鋅片易被氧化，導致其表面產生氧化膜，降低了反應效率，使得電流較小。

2.解決方案

使用醋酸和氫氧化鈉分別將鋁片和鋅片表面的雜質清除干凈后重復實驗，若得出的實驗結果與假設相符，則代入總表進行分析;若不符，則使用原電池原理的推論結合實驗數據進行原因分析。

3.重做實驗結果

由表2可知，用打磨過的鋁片和鋅片做實驗，仍未獲得符合猜想的實驗數值，其原因是我們沒有條件使用強酸、強堿完全去除鋁片和鋅片表面的氧化膜。

我們商議后決定，將新的實驗數據匯入總表，用有效數據結合原電池原理的推論進行實驗結果分析，得出最后的實驗結論。

五、結果分析

（一）比較實驗 1、實驗 2、實驗 3、實驗 4可以得出，電極深度（電極與水果的接觸面積） 不同對水果電池的電流大小有影響。

隨著電極插入水果內深度的增加，電流表的示數均有不同程度的增大。這是由于隨著電極插入深度的增加，電極與水果中電解質的接觸面積增大，相同時間內產生的電荷轉移增多，因此，增加電極的插入深度可以增大水果電池的電流。得出的規律是電極插入水果的深度越深，水果電池產生的電流越大。

（二）比較實驗 4、實驗 5、實驗 6、實驗 7 可以得出，電極間距不同對水果電池的電流大小有影響。

隨著電極距離的增加，靈敏電流計的示數均有不同程度的減小，在此之前已有研究證明，理論上電極之間的距離越小，電池的內阻越小，能產生的電流越大。在實際操作過程中當電極之間的距離太近時，“鱷魚嘴”上的金屬易靠近造成短路，因此在實際操作過程中，電極之間的間隔距離以1cm左右為佳。得出的規律是電極的間距越小，水果電池產生的電流越大。

（三）比較實驗 4與實驗 8、實驗 9與實驗 13可以得出，電極種類不同對水果電池的電流大小有影響。

在此之前已有研究證明，原電池中兩個電極的金屬活動性不同，產生電勢差而使電子流動產生電流。因此，金屬的活動性差異越大，產生的電勢差越大，水果電池產生的電流越大。得出的規律是兩個金屬電極的活動性差異越大，水果電池產生的電流越大。

（四）比較實驗 9、實驗 16、實驗 19、實驗 22可以得出，水果種類不同對水果電池的電流大小有影響。

在電極種類、電極距離和插入深度相同的情況下，番茄電池產生的電流最大，能使電流表發生明顯偏轉，獼猴桃電池次之。而檸檬電池產生的電流較小，這與我們在日常生活中“果蔬汁液的酸度越大，制作的水果電池效果越好”的經驗不符。

究其原因，水果電池的電壓和電流不僅與水果自身的 pH值有關，還與水果自身的細胞結構，如細胞壁、細胞液、胞間連絲以及所含內容物，如果酸、糖分等因素有關。得出的規律是水果的果汁越豐富，水果電池產生的電流越大。

六、實驗結論與改進

通過探究活動，我們得出簡易水果電池的最佳實驗條件如下。

（一）水果種類

選用果汁豐富的水果，因為果汁是非常好的電解質，考慮到降低成本、使實驗現象更明顯，可選用番茄做水果電池。

（二）電極種類

兩個電極材料金屬活動性相差越大，制成的水果電池的電流越大。

（三）電極間距

兩個電極間的距離越近越好，但又不能靠得太近，以免發生短路，電極的間距以 0.5～1cm較為合適。

（四）電極深度

電極插入水果的深度越深，與水果汁液的接觸面積增大，則水果電池產生的電流也增大。查閱文獻后我們得知，可自制“鹽橋”代替導線導電可增大水果電池的電流，還能采用不同的電池組裝方式（串聯、并聯）增大水果電池的電流或電壓，點亮發光二極管，帶動小電動機。

七、實驗反思

在實驗過程中我們發現，水果電池的電流會隨著時間流逝緩慢下降，但未能想出辦法排除這一干擾。受實驗條件限制，未能完全去除鋁和鋅表面的氧化膜，對此實驗產生了干擾，而且沒有多次實驗測量取平均值，缺乏用更多的數據證明猜想，對此，我們深感遺憾。

（指導老師：張家國? 張永強）

專家點評

小作者們以課本已有的實驗為基礎，通過改進實驗，提出制作簡易水果電池的最優條件。

在實驗設計的每一個環節，小作者們都發現了問題，然后運用所學或從文獻中獲得的知識分析問題，并提出解決問題的方案。實驗過程中數據記載詳細，能通過對比實驗，利用數據推導實驗結論，驗證實驗假設。在總結階段，能利用思維導圖總結知識點之間的聯系。實驗設計合理，實驗結果可信，實驗分析有理有據，論文寫作規范。

建議利用現代技術手段，例如手持技術等進行實驗，實驗效果會更明顯。