运用传感器探究水果电池电动势的实验设计与探讨

刘茂军 郭 瑞 曹献文

(吉林师范大学物理学院,吉林 四平 136000)



·物理实验·

运用传感器探究水果电池电动势的实验设计与探讨

刘茂军 郭 瑞 曹献文

(吉林师范大学物理学院,吉林 四平 136000)

水果电池电动势的实验研究是中学物理、化学的重要内容,本实验中以铜锌作为电极,运用PASCO电压传感器,探究电极间距和电极插入深度改变时对水果电池电动势的影响,经大量的实验测量发现电极间距和插入深度的改变对水果电池电动势没有影响,并对此做出理论解释．

PASCO传感器;水果电池;电动势

1 引言

水果电池因材料易取,贴近生活常常出现在中学探究实验中,习题中也常以水果电池实验中的相关数据作为条件设置问题．一些研究人员对教材的实验进行了改进,[1-2]也有研究人员运用DISLab传感器进行实验研究,[3]但文献中对于水果电池的电动势与插入水果中的电极间距、插入深度的关系,结论并不完全一致．[4-6]而且,在中学的探究实验中,用普通的教学电压表得到的结论是:水果电池电动势与电极间距和插入深度都有关．[7]笔者认为造成结论不同的根本原因在于:对电压和电动势两个物理概念混淆不清,以及实验方案或实验仪器不够精确所致．为解决此问题,我们设计了多组对比实验,当水果电池的电极间距与插入深度改变时,分别运用PASCO数字化传感器和普通电压表探究电动势的变化情况,对得到的结果进行分析,并给出理论解释和探讨．

2 实验设计思路

将锌片和铜片作为电极插入土豆、苹果中,分别用PASCO电压传感器、普通电压表测量并观察电压变化情况: (1) 电极插入深度不变,改变电极间距; (2) 电极间距不变,改变插入深度．因为水果电池属于原电池的一种,考虑到土豆、苹果中可能存在电解质分布不均匀等情况,为排除实验误差同时使实验更简便,以水作为电解液探究锌片和铜片插入水中时的电动势随两电极间距和插入深度的改变所发生的变化．

3 传感器测量实验图表、数据示例

由图1、表1可得，控制两电极插入深度不变,改变两电极间距时,测得电压值不变．由图2、表2可得，控制两电极间距不变,改变电极插入深度时,测得的电压值不变．由图3、表3同样可得，以水作为电解液,两电极之间的电压值不随电极间距和插入深度的改变而发生变化．

图1 电极间距变化与电动势关系图(土豆、苹果)

表1 电极间距变化时电动势数据

图2 电极插入深度变化与电动势关系图(土豆、苹果)

图3 电极间距、深度变化与电动势关系图(水)

表3 间距、深度都改变时电动势数据

用普通电压表代替电压传感器后,重新研究以上步骤,得到的结论为:电极插入深度不变时,电极间距越小,电动势越大;电极间距不变时,电极插入水果越深,产生的电压越大．

图4 测量原电池电动势示意图

4 实验结果分析与探讨

如图4所示,原电池产生的电动势为E=U+IR内，U=E-IR内(式中U为电池路端电压)．当用普通电压表测量时,其内阻并不能远远大于原电池内阻,不是理想电压表,电路中电流不趋近为0．此时电压表示数U=IR，电路中电流若发生变化,电压表示数会随之改变．当电极插入深度h不变时,电极间距d越大，则两电极之间的R内越大,电路中总电阻增大,故d增大时电流I减小，U变小；d减小时，I、U增大．当d不变时,h增大，R内减小,且电极与电解液的接触面增大,因此h增大时,I、U增大;同理h减小时,I、U减小．故电极距离、深度改变时,用普通电压表得到的是路端电压的变化情况,并非电源电动势．

而用数字传感器来研究又是什么情况呢?用电压传感器测量时其内阻非常大(电压传感器内阻大约为2MΩ),接近理想电压表,所以R+R内→∞,I→0，可得E=U．[8]且电池在放电过程中,只要有可察觉的电流产生,电池两端的电位就会下降．[8]即用电压传感器测量的电压值大小可视为原电池电动势大小,同时使用电压传感器测量电动势更加简单直观．当用电压传感器测量时,d、h改变,R内虽改变但由于电压传感器内阻R≫R内,电路原电池内阻产生欧姆电压降(IR内)变化趋于0,电路总电阻变化趋于0,所以用电压传感器测量电极距离、深度的改变时传感器示数不变．

综上可得，水果电池电动势与电极间距和电极插入深度无关．

1 李茂.水果电池的实验探究[J].物理教学,2009(8):26-27.

2 朱海英.果汁电池实验再探讨[J].中学物理,2013(3):61-62.

3 唐波,翁骅.“3+2 探究实验模式”下探究水果电池[J].物理仪器与实验,2014(4):12-15.

4 人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书《化学》第2册[M].北京:人民教育出版社,2007:41.

5 于俊亭.水果汁电池的实验研究[J].实验设计与技术,2014(1):30-31.

6 王朝祥.探究影响水果电池电动势和内阻的因素[J].物理教师,2013(4):45，48.

7 人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书《物理》(选修2-1)(第2版)[M].北京:人民教育出版社,2007:8-9.

8 李荻.电化学原理(第3版)[M].北京： 北京航空航天大学出版社,2008:37-40.

本文系吉林省教育厅“十二五”社会科学研究规划项目,课题名称“吉林省高中数字化传感器平台建设的研究与实践”(课题编号:吉教科文合字[2015]第138号)的阶段性研究成果.

2016-12-08)