基于數字化實驗的Zn-Cu原電池深度學習

丁娟娟 朱毓卿

摘要：利用數字化實驗研究了鋅銅單液原電池的電流強度與穩定性并利用溫度傳感器測定溫度變化來解釋電流衰減的原因。對傳統的雙液原電池進行創新改進，設計出試劑用量少、電流強度大、穩定性高、易便攜的微型雙液電池、微型膜電池，并將創新設計的微型原電池應用于小風扇可使其工作40 min，應用于電子表工作約72 h，還可使小車跑起來。

關鍵詞：數字化實驗；鋅銅原電池；膜電池；微型雙液電池

文章編號：1008-0546（2022）12x-0081-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.020

一、研究背景

能源問題是當今世界的熱點問題，如何開發研究具有高性能、穩定的電池成為了解決能源問題的一個重要研究方向。中學生是一個國家的未來和希望，因此，在日常教學中注重培養中學生創新能力尤為重要。原電池在中學化學的學習中占據著重要的地位已有許多相關研究。[1-4]本研究以如何獲得高效便攜Zn-Cu原電池為探究目的，采用數字化傳感器引導學生對鋅一銅單液原電池進行改進。

二、實驗用品

1．實驗藥品

0.5 mol/L CuS04．0.5 mol/L ZnS04，飽和KCl溶液，Cu片（3.5cmx6cm），Zn片（3.5cmx6cm），KCl鹽橋。

2．實驗用品

數據采集器、電腦、電流傳感器、溫度傳感器（見圖1），離子交換膜，KCl鹽橋，燒杯，導線，小風扇，純棉濕巾，電子表，小車。

三、研究性教學流程

環節-：Zn-Cu單液原電池的電流強度與穩定性探究。

任務1：組裝Zn-Cu單液原電池并用電流傳感器和溫度傳感器測定電池放電10 min電流以及溫度變化。

學生活動：組裝Zn-Cu單液原電池裝置并測出放電10 min電流從0.19A衰減至0.13A，溫度從22.3上升至23.1℃，變化如圖2左側所示。

設計意圖：讓同學們掌握構成原電池裝置的一般要素，通過數據感知單液原電池強度大但不穩定易衰減，能量損耗大。

任務2：分析Zn-Cu單液原電池電流衰減原因。

學生活動：觀察Zn電極放電10 min后表面覆蓋了紅黑色固體如圖2右側所示。猜想Zn與CuSO4電解液直接發生了置換反應。

設計意圖：引導學生分析出單液原電池因負極Zn片直接與CuSO4電解液反應導致能量衰減，且鋅片表面覆蓋銅影響電子的轉移，因此電流不穩定。

環節二：Zn-Cu原電池改進之-：KCl鹽橋雙液原電池。

任務3：利用KCl鹽橋組裝KCl鹽橋雙液原電池。

學生活動：組裝鹽橋雙液原電池。

設計意圖：在分析單液原電池缺陷的基礎上引導學生改進，鞏固對于構成原電池裝置的一般要素知識的掌握。

任務4：利用電流傳感器與溫度傳感器測定KCl鹽橋雙液原電池放電10 min電流與溫度變化，對比單液和雙液原電池優缺點。

學生活動：測定放電10 min電流與溫度變化如圖3所示，電流強度僅為0.05A約為單液電池20%，放電10 min電流無衰減且溫度維持29C幾乎無變化?？偨Y得出鹽橋雙液原電池電流更穩定，能量損耗低但電流強度小。

設計意圖：引導學生通過動手實驗進行比較。培養學生嚴謹的科學態度。

任務5：如何提高KCl鹽橋雙液原電池的電流強度。

學生活動：學生結合物理知識解釋，鹽橋長度大橫截面積小電阻大，因此電流小。提出可以通過縮短鹽橋距離，增大鹽橋橫截面積來減小電阻。

設計意圖：引導同學們發現問題，通過學科融合解決問題。

環節三：Zn-Cu原電池改進之二：微型雙液原電池。

任務6：如何設計出溶液用量少易便攜的微型雙液原電池？

學生活動：查閱資料從伏打電池得到啟發，用綿柔巾浸取CuSO4與ZnSO4溶液將Zn、Cu包裹，用浸取KCl溶液綿柔巾作鹽橋如圖4所示。

設計意圖：鼓勵學生創新、培養學生動手能力。

任務7：測定微型鹽橋雙液原電池放電10 min電流變化。

學生活動：測定電流變化如圖4所示，電流強度約為0.16A放電10 min無衰減。學生發現微型雙液原電池不僅試劑用量少，電流強度大且穩定。

設計意圖：通過數據對比感知微型雙液原電池優點，體會創新的成就感，為學生埋下創新的種子。

環節四：Zn-Cu原電池改進之三：微型膜雙液原電池。

任務8：溶液用量少、便攜的微型雙液原電池的再創新。

學生活動：學生查閱文獻從熱點的膜電池中得到啟發，提出方案利用膜代替鹽橋，設計出微型膜雙液原電池如圖5所示。

設計意圖：引導學生關注科技前沿，培養學生勇于挑戰，勇于創新的精神。

任務9：測定微型膜雙液膜電池放電10 min電流變化。

學生活動：測定放電10 min電流變化如圖5所示，電流強度為0.16A放電10 min電流無衰減，總結得出微型雙液膜電池所用試劑少電流強度大且穩定。

設計意圖：鼓勵學生創新，培養學生的合作意識。

環節五：微型膜雙液原電池的創新應用。

任務10：將試劑用量少、便攜的電流強度大且穩定的微型膜雙液原電池應用于用電器。

學生活動：微型膜雙液原電池應用于小風扇轉動的速度和兩節5號電池的速度幾乎一樣，該小風扇可持續轉動時間為40min。微型膜雙液原電池應用于電子表裝置可以持續工作72小時，還可以應用于小車，如圖6所示。

設計意圖：將理論應用于實踐，培養學生良好的社會責任感。

四、總結與展望

本文利用數字化實驗，將化學實驗的微觀變化以圖像和數字的形式表現，實現了實驗的精準化和可視化。通過任務驅動引導學生對電池進行逐步改進，培養了學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。引導學生將設計的微型原電池應用于小風扇、電子表和小車，增強了學習化學的趣味性，激發了學生的學習興趣和深入探究的欲望。培養了學生們，利用所學知識解決實際問題的能力。讓理論知識應用于實踐，彰顯化學知識服務社會的科學精神。

參考文獻

[1]馬翠翠．手持技術數字化實驗探究夾心式膜電池的創新改進[J]．化學教育（中英文），2020，41（7）64-70.

[2] 杜愛萍．雙液原電池鹽橋的實驗改進[J]．化學教與學，2019（11）：80-82

[3] 劉玲．基于濾紙的多電極原電池實驗設計[J]．化學教學，2016（9）：49-50.

[4]盛曉婧．利用數字化手持技術探究原電池電流和溫度的變化[J]．化學教育．2016，37（5）：61-65．