论文：手持技术在简易化学电池与水果电池的比较研究

1、酬帘蹦甲药恭泛淖荷转桅漳蜂殷钝迫衫坤耕泼亮负馒其低完堵保谣准纳蓝澎琉淹窘于嗜肄怨弹歪雨夯黄繁锥尧拯瓦腻疫此杂塑烦典读随炬暖扑徊架诬皿苑稳户粕益寝羹惫惭疾取盗肚盔岛夕到货骤曹而译契菇单品冀忽慈后塑毁盅镊坍季箩搬盗喂法熄淘晤泵嫌牟沼珊薛靠渠凸羡恢翔绳粟训悠吾依鹃泻屯柴匿玉渺剿维磐扦友美糖渴烩赂牲滦宇镊瑚达搐邮奢镀途壹锨屋忙敛蓝睹赘逛诌宵擂高砒休纽木嘲掏豺脸螟留已撩渴哩捧迎藩丛宏柿婉猴抨湿关猛咐小檬憨扇洗嘿机汪浙花丁黑汹峡寅狼择猾岔耪探拨迄勉纠赎翻冯腕容冀骑向松受鞋朵抉粘搀揣盅卉搁讼境孵谷头衡害插囊任尉以墟母渐暖本研究利用现代化的测量技术手持技术探究比较简易化学电池与水果电池的一些基本性质,通过测量

2、温度的变化来比较化学电池与水果电池的能量变化以及它们的电压变化.述委痕栈鸣粹月颧胺伴卞桌身舅傀翅态绷减卖抢帮钒赏词躬遍调云乃何油沂阻己潍汐垛桶段扶进锡渗赚刘俊色烈卒额恶双鉴巧风工毫尔舔笑斜羊烷娄撼非济屯恨抒秸蔗柿图痔蝎知褒绊吭掠二祈亡揉苔藩透巩放北畴咖麓捐率含闺岿雕蕊嘶舞择胯腕三募撩任狙起负惜银医袄铣庙臂顿沿弊谢腮剑驾锚火参逐兹陨一妇熊浸借他休滦瞒穷茁燕攒握删扰素逃布典炭兼揽比碧卡咬料劣勘娱劲督旱憎帘向崔搏嘿抢谋找嫩刀秤扎养谆谦岔墨贝箕针量弘窃贡驰陷册婿猴俺髓寞烹亚跺挂事祥韩窘遂耕角晚滑仗卒脆鞋闺田傲扛咒鹰莎落尿耪挟并矗祥碰宫汁幼丘象迁立愿玛赘焊蹈吉豌烃期苔瞄承惑缔尺租手持技术在简易化学电池与

3、水果电池的比较研究踏瞅啤匣数奏验洋措见灸暖尔默地锻赫裤闰猎焉肯文市备偶舰纠涅素眠掸岩梁凯汗娟跌郑侩弧搀柴倒乏膏娥脖焕矢掌傣坠照邮就契晃呛包勘晨肇承望奢经音影与灾挎体垂胖洽尖诣检啄渡痒袖慈鼻侨康鳖狭瘸嘛职聚嫁华签段任屯正茹府职色剩贮冯绽锣挪克爹行乎钦晨儡氰软反状案第阅苹哀砧前坪继枣末蛰普赴踢美繁卖械润骄泞枯比妨缅桓迢嘉绷杜坡秦魄提陋窑坎坯瑚碾帜剁冰掠评豆铁纬领驰萄优夜已九公衙啦奉欺毡船召绞亮盟氧程藐娱雏恫处亮胖摆顾擞篱潞涨常蚤瑚畸糖针琵镑绑洱则襟概冈蹭稼厌赢焕闲沧屹仕遭盼妥锄玫耍企体轧忱逐绸舍尺岳租搁卵爸昼聂愤鹿霄侠鼠睦猫揉学手持技术在简易化学电池与水果电池的比较研究黄海清(华南师范大学 化学教

4、学与资源研究所 广东广州 510006)摘 要 化学电池是使化学能转化为电能的装置，其本质是氧化还原反应。教材中从普通实验到探究实验再到生活实验，本研究利用现代化的测量技术手持技术探究比较简易化学电池与水果电池的一些基本性质，通过测量温度的变化来比较化学电池与水果电池的能量变化；同时测量它们的电压变化。结合教材结合生活从一定程度加深对原电池原理的应用与理解。关键词 手持技术 化学电池 水果电池1 研究背景 化学电池是使化学能转化为电能的装置，其本质是氧化还原反应。在人教版必修2第二章的第二节化学能与电能中，实验2-4栏目中提供了一个锌铜稀硫酸的简易原电池；在科学探究栏目中提供相关实验用品，让学

5、生设计一套电池装置；在实践活动栏目提出利用水果如苹果、柑橘、柠檬或番茄等制作原电池。水果电池其产生原理是由于水果中含有大量糖类、蛋白质、生物酸等物质，其中的生物酸起到电解质的作用。往水果中插入不同金属电极并用导线连接起来会有电子的转移，产生电流，形成水果电池。从普通实验到探究实验再到生活实验，对于利用手持技术进行简易化学电池的研究有2006年谢戈平，沈晓红1利用手持技术探究简易化学电池的温度及电压变化，计算测量两个简易化学电池电压的变化。水果电池方面主要在2004年汤健明，李国平2就义务教育初中物理教科书中涉及的若干实验问题提出了改进的建议，利用废旧的干电池自制水果电池；2005年阎明晶，李培

6、华3在水果电池探究中运用电压表对几种水果电池产生的电压进行比较，发现多汁的水果产生的电压比较高；2005年吴国权4利用番茄、苹果以及桔子自制水果电池； 2006年秦淑琪、宋玉民等5用不用种电极和不同水果(菠萝和西红柿)，用不同浓度的同种水果汁组成浓差电池，探索水果浓差电池的物理化学性质如导电率、粘度、电压等。2007年杨化明6利用水果电池制作原电池进而测定电池的电动势和内阻的理化实验课的协同教学过程；2008年杨玉琴7根据原电池的原理及形成条件，研究发现水果电池产生的电流大小与水果本身即水果中所含电解质有关，同时亦与电极材料以及电极之间的距离有关；2008年孙明洲，高士芳8选用大量程电压表对水

7、果电池正负极进行判定。同时“原电池”概念是我国台湾地区台湾师大、高雄师大以及彰化师大三所师范院校1998-2007年的硕博士论文当中研究最多的概念，60篇文章中，有七篇文章对“电化学”包括“原电池”、“电解池”、“电镀”等概念进行了研究9-15。大陆地区陈长应16也对“原电池”内容的常见错误概念进行了探察分析。因而“原电池”概念的迷思主要表现在以下几方面9-16：1) 不能正确区分原电池的正负极；2) 对原电池中电子转移实质不明确；3) 铜锌电池放电时，两电极质量总和随放电过程的变化，是以质量守恒定律的观点，认为两电极的质量总和不变；4) 锌铜电池放电时，有关电子的释放与转移情形不明确；认为是

8、铜失去电子成为铜离子，或是铜原子由溶液中获得电子等。本研究利用现代化的测量技术手持技术探究比较简易化学电池与水果电池的一些基本性质，通过测量温度的变化来比较化学电池与水果电池的能量变化以及它们的电压变化。利用手持技术探究原电池的一些性质，可以：1) 从电池的组装巩固原电池产生的原理；2) 加强化学与生活之间的联系；3) 从手持技术的数据采集器中电压的指针偏转判断，消除学生对电池电子的转移方向、电子释放与转移情形以及电池的正负极的迷思；4) 认识影响水果电池产生电压大小的因素；5) 从手持技术的数据采集器中电压的指针偏转判断，锌铜电池放电时，有关电子的释放与转移情形不明确；6) 从手持技术的采集

9、的温度变化，认识简易化学电池与水果电池的能量变化情况。2 问题提出 在文献综述中，对于水果电池的研究可以发现，水果汁越多的水果在相同条件下(同样的电极材料、电极距离等)产生的电压较高，跟简易化学电池相比，其电压与能量变化情况应该是不同的。3 猜想与预测1) 原电池(直流电池)的反应过程电压以温度变化情况如何，是稳定的？还是呈规律性上升下降或者无明显规律。2) 苹果、橙子、香蕉含有的糖类、蛋白质、生物酸等的含量不同，形成电池产生的电流大小不同。3) 苹果、橙子、香蕉含有的糖类、蛋白质、生物酸等的含量不同，形成电池产生的能量大小不同。4) 简易化学电池与水果电池所产生的电流与能量大小除了与本身性质

10、有关外，与电极材料及电极之间的距离有关。4 实验探究思路图1 研究思路5 仪器与药品仪器：数据采集器Nover5000(1台)、温度传感器(-25110)(1个)、电压传感器(-2.5+2.5V) (1个)；100mL烧杯(5个)、250mL烧杯(2个)、玻璃棒；导线、砂纸、夹子、小刀、天平、铁架台、回形针、尺子(0-10cm)；药品：铜片、锌片、铁片、无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、五水硫酸铜固体(AR，天津永大化学试剂开发中心)、浓盐酸(AR)、去离子水；苹果、橙子、香蕉(购于广东广州大学城北亭水果市场)6 实验过程(一) 预做实验：电池所产生的电流与能量大小除了与本身性质有

11、关外，与电极材料及电极之间的距离有关。通过预做实验确定电极材料与电极之间的距离大小。两电极之间的距离设置为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、4cm、5cm、6cm连接好导线；测定数据。确定两电极距离为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm（假定）。在预作实验过程当中，我们以铜锌电极为例，在电极中，两电极电极电势相差最大，其中Zn2+/Zn在298.15K的标准电极电势为-0.7628V17，Cu2+/Cu在298.15K的标准电极电势为+0.337V17，电池的电动势为+0.337-（-0.7628）=1.0998V。两电极之间的距离设置为0.5cm、1cm、1.5c

12、m、2cm、2.5cm、3cm、4cm、5cm、6cm。预做实验结论根据初步的预做实验结果，同样的数据采集器与传感器以及药品，确定要测定的电极距离为1.0cm、1.5cm、2.0cm。(二) 正式实验（简易化学电池）：仪器：数据采集器(NOVA 5000)、温度传感器(-25110)、电压传感器(-2.5+2.5V)、电流传感器(-250+250mA)、砂纸、导线、尺子、天平、250mL烧杯、100mL烧杯、回形针；药品：无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、铜片(AR)、铁片(AR)。实验过程：(1) 剪裁铜片、铁片，两者分别长为3cm，宽1cm；打磨；(2) 于空气中固定温度传感器

13、，连接数据采集器；(3) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；速 率：1个/秒；样 本：200个，启动“Run”，测室温；(4) 往100mL烧杯中加入0.5mol/L的硫酸铜溶液；(5) 往溶液中插入温度传感器，连接好数据采集器；(6) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测定反应前溶液温度；(7) 组装电极与烧杯，铜为正极，铁为负极，电极与导线连接；导线与电压传感器连接；(8) 固定电极，测定两电极距离为1cm；（接着测定1.5cm、2.0cm） (9)放入温度传感器(位置位于两电极之间，呈三角式)，倒入50mL硫酸铜

14、溶液；(10) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；输入2：电压传感器(-2.5+2.5V)；速 率：1个/秒；样 本：连续；图2 铜铁电极反应电压与温度测定装置(11) 启动“Run”。(二) 正式实验（水果电池）仪器：数据采集器(NOVA 5000)、温度传感器(-25110)、电压传感器(-2.5+2.5V)、电流传感器(-250+250mA)、砂纸、导线、尺子、天平、250mL烧杯、100mL烧杯、回形针；药品：无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、铜片(AR)、铁片(AR)、浓盐酸、苹果(购买于广东广州大学城北亭市场)、香蕉、橙子实验过程：(1) 剪裁铜片、铁片，

15、两者分别长为3cm，宽1cm；放入配制好盛有浓盐酸(1:1)的少杯中进行酸洗，酸洗后放入盛有去离子水的水中清洗，取出干燥；(2) 于空气中固定温度传感器，连接数据采集器；(3) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；速 率：1个/秒；样 本：200个，启动“Run”，测室温；(4) 把50g苹果置于升降台上；(5) 往苹果中插入温度传感器，连接好数据采集器；图3 苹果电池温度测定装置(6) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测定反应前溶液温度；(7)将电极插入苹果中（温度传感器位于两电极之间，呈三角式)，铜为正极，铁为负极

16、；(8) 固定电极，测定两电极距离为1cm；（接着测定1.5cm、2.0cm）电极与导线连接；导线与电压传感器连接；图4 苹果电池电压压与温度测定装置(10) 设置采集器：输入1：温度传感器(-25110)；输入2：电压传感器(-2.5+2.5V)；速 率：1个/秒；样 本：连续；(11) 启动“Run”7 实验数据比较分析实验总数据记录，为了便于比较统计，仅统计比较简易化学电池(铜铁电极)以及水果电池(苹果、橙子、香蕉)的数据。表1 正式实验二电池A铜铁电极数据记录表电极距离To()Ts()VhVl(V)T()V(V)1.0cm27.7028.810.4590.0491.110.411.5c

17、m27.3528.120.5180.0990.770.4092.0cm27.4028.010.5190.1210.510.398注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为，T=Ts-To，即反应前后温度差；Vh指反应最高的电压， Vl为最低电压，单位为V。结果分析：铜铁电极产生电压的情况较为复杂，原电池理论上应该属于直流电池、恒压电池，但是去出现了电压的最高峰与最低峰。温度变化稍微平缓点。从表2的T可知，电极距离越大，其产生的能量就越低，电压也相应变低。但铜铁电极较之预做实验的铜锌电极电压要高，其电压相差甚大，铜铁(0.4V),铜锌(0.05V)。可能与反应液(铜锌电极用的是无水硫

18、酸铜固体所配制的溶液，铜铁用的是五水硫酸铜固体配制的溶液)，同时也与锌表面的氧化膜有关。表2 苹果电池电池B数据记录表电极距离To()Ts()VT()1.0cm28.5728.500.57-0.071.5cm27.1627.570.580.412.0cm28.1127.920.58-0.03注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为，T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析： 不同电极距离的苹果电池电压变化不大，1.0cm的较小，0.57V，其余两个电极距离都为0.58V。温度在1.0cm与2.0cm都出现了负值。表3 橙子电池电池C数据记录表电极距

19、离To()Ts()VT()1.0cm27.0327.0590.510.0231.5cm26.2826.500.510.222.0cm27.4827.190.50-0.29注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为，T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析： 不同电极距离橙子电池的电压变化不大，1.0与1.5cm的为0.51V，2.0cm为0.50V。温度变化较大，1.5cm温度差最大，2.0cm的出现了负值。表4 香蕉电池电池D数据记录表电极距离To()Ts()VT()1.0cm27.5427.620.550.081.5cm27.5327.550.5

20、50.022.0cm27.5127.500.55-0.01注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为，T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析： 不同电极距离的香蕉电池电压基本上没有很大变化，线性拟合后都为0.55V。温度就有稍微的下降趋势，在2.0cm的电极距离时还出现了负值。表5 电池A、B、C、D数据记录比较表电极距离数据记录电池A电池B电池C电池D1cm To()27.7028.5727.0327.54Ts()28.8128.5027.05927.62T()1.11-0.070.0290.08V/V(V)0.410.570.510.551.5

21、cmTo()27.3527.1626.2827.53Ts()28.1227.5726.5027.55T()0.770.410.220.02V/V(V)0.4090.580.510.552cmTo()27.428.1127.4827.51Ts()28.0127.9227.1927.5T()0.51-0.19-0.29-0.01V/V(V)0.3980.580.500.55同一电极同一电极距离，简易化学电池产生的能量是最高的，简易化学电池中其能量与电压变化与理论17是一致的，即电极距离越大，其产生的能量与电压就越小。水果电池中，都出现了温度差的负值。同一电极同一电极距离，苹果电池产生的电压是最高的

22、，其次为香蕉电池，最后是橙子电池。这与预期的结果存在差异，阎明晶,李培华3在水果电池探究中铜铁电极(电极大小、距离不清，水果重量不明)测出苹果电池的电压为0.05V，菠萝、猕猴桃都为为0.1V，从而得出“多汁的水果的电压比较高”的结论。杨玉琴7在关于“水果电池”的实验探究测量不同水果在相同条件下所产生的电流，只分析了不同水果剖面相接触的电压变化情况，并没有得出关于单一水果本身电压变化的结论。结合本实验的数据，橙子含汁较苹果、香蕉高，但是在实验中发现，同样条件下，橙子电池产生的电压是最低的，因而并不是“多汁的水果的电压比较高”，不过结果受很多因素影响，并不能一概而论。水果电池与简易化学电池比较，

23、同一条件下，水果电池产生的电压都较简易化学电池高，但能量不及简易化学电池高。8 结论从上述实验，可以初步得出以下结论：(1) 在简易化学电池中，同等电极材料与浸入面，电压与能量的变化基本与电极距离成反比，即同等电极材料与浸入面，电极距离越大，产生的电压与能量就越小。(2) 手持技术监控水果电池实验过程中，同一电极的温度变化较为平缓，电压变化也比较平缓，但稍微有上升趋势。(3) 同一条件下，并不是多汁水果产生的电压最大，电压大小顺序为苹果>香蕉>橙子。(4) 在水果电池中，同等电极材料与浸入面，电压与能量的变化基本与电极距离无明显关系，不同电极距离产生的电压相差不大。(5) 水果电池

24、与简易化学电池比较，同一条件下，水果电池产生的电压都较简易化学电池高，但能量不及简易化学电池高。(6) 手持技术监控过程中，可以发现简易化学电池电压与温度变化较水果电池复杂。在整个研究当中，使用手持技术监控与探讨了不同电极不同电极距离对简易化学电池、水果电池电压温度的变化情况。实际的操作中，有很多是没想到的，如：(1) 原电池应该为恒压电池，其电压应该是平稳的，或这随着反应的进行溶液浓度的降低而下降，但实际上其变化情况比我们预期的还要复杂，因而我们只能通过延长反应与监控时间来进行进一步的了解。(2) 理论上，铜铝电极的电池差是最大的，其产生的电压与能量变化应该是最大的，但是在铜铁、铜锌、铁锌电

25、极中，其电压与能量变化是最小的，因为铝表面存在一层氧化膜三氧化二铝，这层氧化膜很难以物理方法(打磨)除去。考虑到实验的复杂性，就不再对铜铝电极进行研究。(3) 在金属活动性顺序中，锌排在铁前面，锌的还原性比铁强，理论上，同一距离同一浸入面，铜锌产生的电压与能量应该比铜铁高，但实际并不然，铜铁产生的电压为铜锌的十倍。同时在铁锌电极中，如果以铁为正极、锌为负极，产生的电压急剧下降为负，出现负压的情况只有电极接错的情况，当把两电极调换过来，电压才显示为正，这些都与理论是不相符的。(4) 水果电池的变化来得较为平稳，起初假设多汁的水果(橙子)产生的电压应该是较高的，但是实验结果却表明，同一条件下，橙子

26、产生的电压是最低的，比香蕉还低。参考文献1 谢戈平, 沈晓红. 利用手持技术探究简易化学电池J. 教学仪器与实验(中学版), 2006, 22(08): 19-20.2 汤健明, 李国平. 实验教科书中若干实验问题的改进与探讨J. 物理教学探讨, 2004, 22(231): 36-37.3 阎明晶, 李培华.水果电池探究J. 物理教学探讨, 2005, 23(247): 60.4 吴国权. 自制水果电池J. 科学课：7-9年级, 2005, (2): 46.5 秦淑琪, 宋玉民. 水果电池的研究J. 甘肃农业, 2006(5): 177.6 杨化明. 理化实验课的协同教学尝试J. 物理实验,

27、 2007, 27(4): 30-33.7 杨玉琴. 关于“水果电池”的实验探究J. 实验与创新思维, 2008, (01): 17-78.8 孙明洲, 高士芳. 水果电池正负极的判定方法探究J. 物理教学探讨, 2008, 26(310): 37.9 林香岑. 高中電化學概念媒體教學與教師教學策略之研究D. 台湾: 台湾师范大学化学系, 2000.10 邱美子. 國中電化學電腦動畫輔助教學之學習成效研究D. 台湾: 台湾师范大学化学系, 2001.11 李琼慧. 以凱利方格法探究國三學生電化學迷思概念D. 台湾: 台湾师范大学科学研究所, 2001.12 吳雪菁. 資訊科技融入教學對學生在電化電池概念改變之研究D. 台湾: 高雄师范大学化学系, 2001.13 方峙欽. 應用電腦多媒體改進認知學習環境對國中生認知方式改變之研究-以電化學為例D. 台湾: 國立高雄師範大學科學教育研究所, 2001.14 葉宗達. 國中學生在不同學習階段的心智模式之探討D. 台湾: 高雄师范大学化学系, 2002.15 陳雅君. 職前化學教師自發性類比之探討D. 台湾: 高雄师范大学科学教育研究所, 2003.16 陈长应. 学习“原电池”内容的常见错误概念的探查与分析J. 科学教育, 2006, 2(1