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(513100) 譚 程

1 問題提出背景

隨著新一輪課改的推進，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、順應時代要求”的特征，特別是教材中無論是課堂演示實驗還是學生探究實驗，都發(fā)生了“天翻地覆”的變化，不再是那種“菜譜式”的實驗。其中粵教版第3冊第4章第2節(jié)的教學內(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)之間的關系”和“路端電壓U外與總電流I總之間的關系”時，若沿用教材中介紹的如圖1所示實驗裝置進行教學將存在以下兩個明顯的不足點。

圖1 教材中的實驗裝置

1.1 實驗裝置危險且不環(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)之間的關系”以及“路端電壓U外與總電流I總之間的關系”。教材中在介紹探究這兩個核心問題的實驗中，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，都不敢采用分組實驗，這就導致了探究者淪為教師，學生是觀眾，整過探究過程學生雖然參與但不能親歷。這種“觀摩”式的實驗探究教學，學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 實驗探究內(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，所以在實際操作中實驗時間和范圍等將受到限制，這就導致該實驗器材在實驗中所要探究的內(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)之間的關系”，而“路端電壓U外與總電流I總之間的關系”只是采用了理論推導的方式，直接得出了結論，并未從實驗中得出。實際上本實驗裝置還可以同時探究“路端電壓U外與總電流I總之間的關系”，這樣更能體現(xiàn)本實驗的探究價值。

為此，筆者提出了改進該實驗的裝置做法，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 實驗猜想

鋅、銅兩種金屬的活潑性質不同，當將這兩種金屬和稀硫酸做成原電池后，化學性質活潑的金屬鋅失去電子，銅得到電子，其反應原理如圖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 鋅銅原電池反應原理

2.2 收集實驗材料

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，于是本次實驗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成原電池。

2.3 實驗器材的初步設想

結合以上分析，完成本實驗所需要的實驗器初步設想如下：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3個；⑤原電池活潑性不同的金屬鋅和銅，鋅作負極，銅作正極；⑥導線若干。

2.4 實驗器材的進一步改進

將以上提供的實驗器材先制作好“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，測量結果見表2。

表2 測量酸性飲料—鋅銅原電池的電動勢

結果發(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將實驗器材連接好，結果發(fā)現(xiàn)電路中的電流很小，電流表的指針偏轉角度很小，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行實驗，結果發(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行了“探究電源電動勢與內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的關系”以及“探究路端電壓U外與總電流I總的關系”的實驗，具體探究內(nèi)容如下。

圖3 “酸性飲料——鋅銅原電池”實驗裝置

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連接好實驗器材，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中的實驗數(shù)據(jù)。

表3 實驗數(shù)據(jù)1

根據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)得到外電壓U外與總電流I總之間的關系圖像見圖4。

圖4 U外-I總圖像1

實驗分析如下：

(1)電源電動勢E與內(nèi)電壓U內(nèi)、外電壓U外的關系

從表中的數(shù)據(jù)可得出結論：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，由此得到的實驗結論是：路端電壓U外與總電流I總成線性關系。

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連接好實驗器材，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的實驗數(shù)據(jù)。

表4 實驗數(shù)據(jù)2

根據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)得到外電壓U外與總電流I總之間的關系圖像，見圖5。

圖5 U外-I總圖像2

實驗中同樣可以得出案例1中的實驗結論:

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

(2)路端電壓U外與總電流I總的關系:路端電壓U外與總電流I總成線性關系。

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連接好實驗器材，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中的實驗數(shù)據(jù)。

表5 實驗數(shù)據(jù)3

根據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)得到如下的關于外電壓U外與總電流I總的關系圖像見圖6。

圖6 U外-I總圖像3

實驗中同樣可以得出案例1中的實驗結論。

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連接好實驗器材，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中的實驗數(shù)據(jù)。

表6 實驗數(shù)據(jù)4

根據(jù)以上的實驗數(shù)據(jù)得到如下的關于外電壓U外與總電流I總的關系圖像見圖7。

圖7 U外-I總圖像4

實驗中同樣可以得出案例1中的實驗結論。

4 結束語

通過大量的實驗，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。這個實驗的改進不但環(huán)保，而且與保護自然的生態(tài)文明理念相吻合，更重要的是可以讓學生真正參與并開展對本實驗的探究。