運(yùn)用傳感器探究水果電池電動(dòng)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探討

劉茂軍 郭 瑞 曹獻(xiàn)文

(吉林師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 四平 136000)

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·物理實(shí)驗(yàn)·

運(yùn)用傳感器探究水果電池電動(dòng)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探討

劉茂軍 郭 瑞 曹獻(xiàn)文

(吉林師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 四平 136000)

水果電池電動(dòng)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)研究是中學(xué)物理、化學(xué)的重要內(nèi)容,本實(shí)驗(yàn)中以銅鋅作為電極,運(yùn)用PASCO電壓傳感器,探究電極間距和電極插入深度改變時(shí)對(duì)水果電池電動(dòng)勢(shì)的影響,經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)電極間距和插入深度的改變對(duì)水果電池電動(dòng)勢(shì)沒有影響,并對(duì)此做出理論解釋．

PASCO傳感器;水果電池;電動(dòng)勢(shì)

1 引言

水果電池因材料易取,貼近生活常常出現(xiàn)在中學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中,習(xí)題中也常以水果電池實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)作為條件設(shè)置問題．一些研究人員對(duì)教材的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),[1-2]也有研究人員運(yùn)用DISLab傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,[3]但文獻(xiàn)中對(duì)于水果電池的電動(dòng)勢(shì)與插入水果中的電極間距、插入深度的關(guān)系,結(jié)論并不完全一致．[4-6]而且,在中學(xué)的探究實(shí)驗(yàn)中,用普通的教學(xué)電壓表得到的結(jié)論是:水果電池電動(dòng)勢(shì)與電極間距和插入深度都有關(guān)．[7]筆者認(rèn)為造成結(jié)論不同的根本原因在于:對(duì)電壓和電動(dòng)勢(shì)兩個(gè)物理概念混淆不清,以及實(shí)驗(yàn)方案或?qū)嶒?yàn)儀器不夠精確所致．為解決此問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn),當(dāng)水果電池的電極間距與插入深度改變時(shí),分別運(yùn)用PASCO數(shù)字化傳感器和普通電壓表探究電動(dòng)勢(shì)的變化情況,對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析,并給出理論解釋和探討．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

將鋅片和銅片作為電極插入土豆、蘋果中,分別用PASCO電壓傳感器、普通電壓表測(cè)量并觀察電壓變化情況: (1) 電極插入深度不變,改變電極間距; (2) 電極間距不變,改變插入深度．因?yàn)樗姵貙儆谠姵氐囊环N,考慮到土豆、蘋果中可能存在電解質(zhì)分布不均勻等情況,為排除實(shí)驗(yàn)誤差同時(shí)使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)便,以水作為電解液探究鋅片和銅片插入水中時(shí)的電動(dòng)勢(shì)隨兩電極間距和插入深度的改變所發(fā)生的變化．

3 傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖表、數(shù)據(jù)示例

由圖1、表1可得，控制兩電極插入深度不變,改變兩電極間距時(shí),測(cè)得電壓值不變．由圖2、表2可得，控制兩電極間距不變,改變電極插入深度時(shí),測(cè)得的電壓值不變．由圖3、表3同樣可得，以水作為電解液,兩電極之間的電壓值不隨電極間距和插入深度的改變而發(fā)生變化．

圖1 電極間距變化與電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖(土豆、蘋果)

表1 電極間距變化時(shí)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)

圖2 電極插入深度變化與電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖(土豆、蘋果)

圖3 電極間距、深度變化與電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖(水)

表3 間距、深度都改變時(shí)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)

用普通電壓表代替電壓傳感器后,重新研究以上步驟,得到的結(jié)論為:電極插入深度不變時(shí),電極間距越小,電動(dòng)勢(shì)越大;電極間距不變時(shí),電極插入水果越深,產(chǎn)生的電壓越大．

圖4 測(cè)量原電池電動(dòng)勢(shì)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與探討

如圖4所示,原電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為E=U+IR內(nèi)，U=E-IR內(nèi)(式中U為電池路端電壓)．當(dāng)用普通電壓表測(cè)量時(shí),其內(nèi)阻并不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原電池內(nèi)阻,不是理想電壓表,電路中電流不趨近為0．此時(shí)電壓表示數(shù)U=IR，電路中電流若發(fā)生變化,電壓表示數(shù)會(huì)隨之改變．當(dāng)電極插入深度h不變時(shí),電極間距d越大，則兩電極之間的R內(nèi)越大,電路中總電阻增大,故d增大時(shí)電流I減小，U變?。籨減小時(shí)，I、U增大．當(dāng)d不變時(shí),h增大，R內(nèi)減小,且電極與電解液的接觸面增大,因此h增大時(shí),I、U增大;同理h減小時(shí),I、U減?。孰姌O距離、深度改變時(shí),用普通電壓表得到的是路端電壓的變化情況,并非電源電動(dòng)勢(shì)．

而用數(shù)字傳感器來研究又是什么情況呢?用電壓傳感器測(cè)量時(shí)其內(nèi)阻非常大(電壓傳感器內(nèi)阻大約為2MΩ),接近理想電壓表,所以R+R內(nèi)→∞,I→0，可得E=U．[8]且電池在放電過程中,只要有可察覺的電流產(chǎn)生,電池兩端的電位就會(huì)下降．[8]即用電壓傳感器測(cè)量的電壓值大小可視為原電池電動(dòng)勢(shì)大小,同時(shí)使用電壓傳感器測(cè)量電動(dòng)勢(shì)更加簡(jiǎn)單直觀．當(dāng)用電壓傳感器測(cè)量時(shí),d、h改變,R內(nèi)雖改變但由于電壓傳感器內(nèi)阻R?R內(nèi),電路原電池內(nèi)阻產(chǎn)生歐姆電壓降(IR內(nèi))變化趨于0,電路總電阻變化趨于0,所以用電壓傳感器測(cè)量電極距離、深度的改變時(shí)傳感器示數(shù)不變．

綜上可得，水果電池電動(dòng)勢(shì)與電極間距和電極插入深度無關(guān)．

1 李茂.水果電池的實(shí)驗(yàn)探究[J].物理教學(xué),2009(8):26-27.

2 朱海英.果汁電池實(shí)驗(yàn)再探討[J].中學(xué)物理,2013(3):61-62.

3 唐波,翁驊.“3+2 探究實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健毕绿骄克姵豙J].物理儀器與實(shí)驗(yàn),2014(4):12-15.

4 人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《化學(xué)》第2冊(cè)[M].北京:人民教育出版社,2007:41.

5 于俊亭.水果汁電池的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù),2014(1):30-31.

6 王朝祥.探究影響水果電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的因素[J].物理教師,2013(4):45，48.

7 人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》(選修2-1)(第2版)[M].北京:人民教育出版社,2007:8-9.

8 李荻.電化學(xué)原理(第3版)[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社,2008:37-40.

本文系吉林省教育廳“十二五”社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目,課題名稱“吉林省高中數(shù)字化傳感器平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐”(課題編號(hào):吉教科文合字[2015]第138號(hào))的階段性研究成果.

2016-12-08)