原电池 教学设计-寻求稳定高效的化学电源原电池第一课时

第四章第一节原电池（第一课时）寻求稳定高效的化学电源安徽省全椒中学陈磊指导教师：朱圣武一、课标呈现认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。了解原电池的工作原理。二、教学内容分析1.内容分析在必修课程中学生已经了解，将锌片、铜片置于稀硫酸中并以导线连接起来可以组成原电池，这为本节教学奠定了基础。但是，对于大多数学生来说，双液电池在装置和工作原理方面都比单液更加复杂，这会导致一些学生产生困惑。为此，本节基于真实情境引发问题，设计实验进行探究解决问题，引导学生逐步认识和理解原电池的工作原理及其应用。2.素养呈现通过观察铜-锌单液原电池驱动小风扇，发现并提出问题：(1)该装置中发生了哪些能量转化？(2)在正极、负极上分别发生了什么反应？(3)衰减的原因可能是什么？(4)你能否设计防止电流衰减的装置？通过问题的分析与解决，由单液电池过渡到双液原电池，认识盐桥因素对双液原电池性能的影响。通过双液原电池的设计助力原电池思维模型的建构，逐步形成证据推理与模型建构，科学探究和创新意识等化学核心素养。再通过对影响双液原电池电流大小因素的探究，逐步建构和发展对生活中的交换膜电池的设计与工作原理的认识，体现化学学科科学价值和社会责任。三、学情分析通过必修教学内容的学习，学生已经具备一定的电化学基础知识、实验观察与探究和分析问题与解决问题的能力。但知识迁移能力、发散思维和创新思维能力等方面有待培养和提高。因此本节课需要重点引导学生认识双液原电池原理、探究影响双液原电池电流大小的因素，建构原电池的思维模型。四、教学目标1.通过原电池实验，认识电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电池构成的四个要素，初步建立原电池的认知模型。2.通过对铜-锌单液原电池驱动小风扇存在问题分析与解决，认识双液原电池中的盐桥的作用和工作原理，完善原电池思维模型，并能用化学符号表征双液电池所发生的的电极反应与电池反应。3.通过对影响双液原电池电流大小因素的探究，逐步建构和发展对生活中的交换膜电池的设计与工作原理的认识。体会实验对认识和研究化学问题的重要作用，形成证据意识。4.通过对化学电源发展史的了解，能从物质转化与能量转化的视角分析新型电池的研发，培养责任意识和创新精神。五、教法与学法1.教法：情境激学法、实验探究法。2.学法：分组实验探究法、分组讨论、归纳总结。六、教学重难点重点：1.双液原电池的工作原；电池与电极反应的表征。2.原电池思维模型的建构；影响双液原电池电流大小因素的探究。难点：1.原电池思维模型的建构。2.实验探究与创新，基于证据推理和思维模型的建构。七、教学流程创设情境，引入课题石墨烯电池的应用设计电池，发现不足单液原电池的探究实验探究，改进电池u型管盐桥双液原电池的探究深入探究，优化电池琼脂块双液原电池的探究结合实际，完善认知隔膜电池原电池的使用八、教学过程环节一：创设情境，导入课题【情境】石墨烯手机充电5秒钟，可以使用一周；石墨烯新能源汽车，充电10分钟，可以续航1000公里。【问】该电池为何能有如此长的待机时间和如此大的续航能力呢？………….引入本节课题。【设计意图】激发学生的学习兴趣，培养学生观察生活中的现象并积极思考。环节二：设计电池，发现不足【复习】简单回顾原电池的构成条件和工作原理。【学生分组实验1】【实验仪器及药品】：铜片1条、锌片1条、连接线、电流表、小水槽、小风扇、稀H2SO4利用所提供仪器及药品组装成铜锌单液电池。1.观察锌片和铜片表面变化；2.电流表是否偏转；3.再看看该电池能不能使风扇转动，注意观察风扇的转速。（温馨提示：实验结束后，将电极从电解质溶液中取出后用水清洗并放入空烧杯中。）【设计意图】学生观察到Zn片上也产生气泡，和必修一学习到的知识产生冲突，从而激起学生探究的兴趣。另外，小风扇转速逐渐变慢也会引起学生的好奇。【过渡】由此引出几个思考：1.锌电极上为何也有气泡？2.电流表偏转，小风扇转动，说明什么？3.小风扇转速逐渐变慢说明什么？4.你认为电流减弱的可能原因是什么？【讨论与交流】Zn与H+直接接触而反应生成H2。锌片不纯，与杂质形成原电池发生反应。有电流产生电流减弱Zn与H+直接接触发生化学反应，故极有可能有热能释放，从而影响了电能的产生。【过渡】那是不是这样呢？引出数字化实验-----温度传感器。【教师演示实验】利用温度传感器测定单液原电池中温度变化。1.在刚刚的演示实验中你看到了什么？2.这说明了什么？3.针对该电池的问题，你认为该如何改进呢？【现象】单液原电池温度逐渐升高。【结论】单液原电池能量转化效率低，电流不稳定。【过渡】问题:为了让化学能更多地转化为我们需要的电能，可以对实验加以怎样地改进呢？环节三：实验探究，改进电池【提示】在前面我们已经分析了锌表面产生氢气的两个原因，而想找到绝对纯净的锌是很难的，所以从改进实验装置，让锌和氢离子不接触的角度来解决问题。【生】让学生尝试画出改进后的实验装置图。……..引出琼脂盐桥双液原电池。ZnZnCu【学生实验2】双液原电池组装及电极现象观察。【实验仪器】铜片1条、锌片1条、连接线、电流表、灵敏电流计、小风扇、装有饱和KCl溶液琼脂的U型管【实验药品】稀H2SO4、ZnSO4溶液利用所给药品和仪器按照如图所示装置连接电路：1.观察锌片表面是否还有气泡?2.观察电流表指针是否偏转?3.试试能否让小风扇偏转？（温馨提示：实验结束后，将电极从电解质溶液中取出后用水清洗并放入空烧杯中。）未插入盐桥，指针不偏转插入盐桥，指针偏转【交流与思考】1.锌片表面怎么没有气泡了呢？2.电流表（灵敏电流计）偏转说明了什么？3.你认为盐桥起了什么作用？【讲解】锌片（还原剂）在与H+（氧化剂）没有直接接触的情况下也能构成原电池，但是需要合适的“桥梁”沟通两种电解质溶液。装有饱和KCl的琼胶的U形管充当“桥梁”的作用，因此叫做盐桥。盐桥的成分通常是饱和KCl溶液的琼胶。盐桥中的K+、Cl-可以自由移动。盐桥中的琼胶起到固定作用，防止KCl溶液直接流出来。【师】双液原电池的结构和原理外电路：负极Zn-2e-=Zn2+；正极：2H++2e-=H2内电路：盐桥中K+向正极移动，Cl-向负极移动；盐桥的作用：沟通内电路，形成闭合回路；提供离子，保持两溶液电中性；提高能量转化效率。【交流与思考】4.小风扇不偏转或者转速慢说明了什么？5.你认为该双液原电池电流稳定性如何呢？【师】在上面的实验中，我们可以看出U型管盐桥双液原电池确实可以形成电流，那它的电流强度及稳定性如何呢？【教师演示实验】利用电流传感器测定U型管盐桥双液原电池中电流变化。【交流与思考】1.在刚刚的演示实验中你发现了什么？2.你认为小的原因是什么呢？3.与单液原电池相比，你认为是哪一部分引起内阻大？4.你认为内电路电阻大的原因可能是什么？5.那如何减小内阻呢？【现象】U型管盐桥双液原电池电流稳定，但电流强度小。【结论】U型管盐桥双液原电池能量转化效率高，电流稳定，但电流强度小。【过渡问题】U型管盐桥双液原电池电流弱的原因是什么？我们又该如何提高电流强度呢？【生】电流弱应该是内阻比较大，可以通过减小盐桥内阻的方法。【师】嗯，很好！【情境】引导学生把U型管盐桥双液原电池和单液原电池从结构上对比，并根据原电池工作原理分析出是离子导体发生了变化，从而推测出双液原电池中特有的盐桥可能会增加离子的运动距离，U形管的粗细会影响离子运动的通道，从而使得离子导体内阻变大，电流变小。【师】根据以上分析，同学们觉得可以通过改变什么来改变内阻从而改变电流呢？【生】改变盐桥的长度和盐桥的横截面积。环节四：深入探究，优化电池【学生分组实验3】探究盒状琼脂块盐桥电流大小影响因素。【实验准备】改进的盒状双液原电池1.在一个塑料盒里按一定高度加入煮沸的KCl饱和溶液的琼胶，自然冷却后备用。2.用小刀将两端的琼胶挖出后的空间分别加入1mol/LZnSO4溶液和1mol/L稀H2SO4。3.两端分别插入Zn片和Cu片，并连接电路。“探究盐桥的长度和横截面积对电流大小的影响”【学生活动】请大家以小组为单位，利用老师所提供的仪器和药品，商讨如何进行此项实验？并试着给出可行方案。【讨论结果】通过将电极插入不同的位置，如插入的远近及插入的深浅，以改变盐桥长度和横截面积，从而改变内阻进而改变电流。【注意事项】1.改变位置时，应注意控制变量（高度一致，改变长度；长度一致，改变高度。）（可提前在盒子上画好刻度作为参考）2.改变盐桥长度时，电极插入顺序应按照从两边往中间，以方便电解液渗入。（温馨提示：实验结束后，将电极从电解质溶液中取出后用水清洗并放入空烧杯中。）【实验内容】一、盐桥的长度对电流的影响1.数据记录：组别盐桥的高度盐桥的长度电流13cm6cm23cm4cm33cm2cm2.结论：其他条件不变时，盐桥的长度越短，则电流越大。二．盐桥的横截面积对电流的影响1..数据记录：组别盐桥长度盐桥的高度电流12cm1.5cm22cm3cm32cm4.5cm2.结论：其他条件不变时，盐桥的横截面积越大，则电流越大。环节五：结合实际，完善认知【拓展延申】由以上探究可知，盐桥的长度和横截面积会影响电池的电流大小，引导学生思考能否把盐桥的长度薄如纸片，从而引入到化学中以及生活中的隔膜电池。【师】当然在生活实际应用中，影响电池性能的因素还有很多，我们仍然需要不断改进，优化电池，包括电极材料，电解质及隔膜的选择等。正是因为人类不断地探索，才有了现代功能强大的石墨烯电池。未来可期，我相信一定还会有更稳定更高效的电池问世。九、课堂小结本节课从必修二的单液原电池的两个特殊现象，引出提高原电池效率的方法------负极的反应物和与之反应的电解质避免接触。接着介绍双液原电池，重点介绍盐桥的成分、特点和作用。随后从盐桥的角度探究影响双液原电池电流大小的两个因素，最后上升到生活中的隔膜电池。十、板书设计寻求稳定高效的化学电源一、单液原电池二、双液原电池三、隔膜原电池十一、教学反思1.设计思路反思本节课从生活中的情境和必修二的单液原电池引入新课，在重现单液原电池实验中注意观察的两个特殊现象，从而让学生认识到单液原电池的另一面不寻常之处。并通过问题引出提高原电池效率的方法------负极的反应物和与之反应的电解质避免接触。在此基础上，启发学生设计新的原电池装置，从而引入到本节课的主题内容------双液原电池。接着介绍学生搭建双液原电池装置，并通过自己动手操作来初步了解盐桥的成分、特点和作用。随后从盐桥的角度探究影响双液原电池性能的两个因素，最后上升到生活中的隔膜电池，各环节环环相扣，过渡自然。2.实验设计反思本节课有三个实验，两个常规分组实验，一个双液原电池的改进实验。每个实验过程现象明显，数据正常。对于双液原电池的改进实验，将两个烧杯式的双液原电池实验改进为盒状双液原电池，这样不仅可以使装置大大的简化，还可以方便的控制盐桥的长度和横截面积从而为后面的探究活动作准备。通过自己的创新，亲身引导，激发学生的创新意识。3.素养达成反思通过必修二的单液原电池的基础上，可以发现并提出问题，再通过剖析问题，自然过渡到双液原电池，最后探究盐桥因素对双液原电池性能的影响。通过双液原电池的设计，培养学生科学探究和创新意识的学科核心素养。再通过在双液原电池的基础上发展起来的生活中的隔膜原电池，让学生体会学习化学学科的意义和社会责任，从而培养学生的科学态度和社会责任的学科核心素养。十二、教学评价：1.产生冲突认知，提升探究兴趣激烈的冲突认知不但可以提高学生的学习兴趣，更可以从情境中找出更多有价值的问题，激发学生的探究欲望。比如，在必修二常规的单液原电池实验中，注意捕捉两个特殊现象。Zn片上也产生气泡，电流表指针不能稳定偏转。通过对特殊现象的关注，激起学生探究的欲望。又比如，Zn片和稀硫酸不直接接触，但又要有反应的发生从而电流的产生。这种强烈的冲突进一步点燃学生探究的热情。2.基于问题探究，促进深度理解在新课程标准中，“发现问题→探究问题→解决问题”是当代高中生的