巧用常见“酸性饮料——锌铜原电池”研究闭合电路

广东省阳山县阳山中学(513100) 谭 程

1 问题提出背景

随着新一轮课改的推进，粤教版高中物理各册教材均已出炉，这些教材都明显地彰显出了“反映课改理念、顺应时代要求”的特征，特别是教材中无论是课堂演示实验还是学生探究实验，都发生了“天翻地覆”的变化，不再是那种“菜谱式”的实验。其中粤教版第3册第4章第2节的教学内容安排为探究“闭合电路的欧姆定律”。对这一节内容在“探究电源电动势E与路端电压U外、内电压U内之间的关系”和“路端电压U外与总电流I总之间的关系”时，若沿用教材中介绍的如图1所示实验装置进行教学将存在以下两个明显的不足点。

图1 教材中的实验装置

1.1 实验装置危险且不环保

众所周知这一节课所探究的两个核心问题是“探究电源电动势E与路端电压U外、内电压U内之间的关系”以及“路端电压U外与总电流I总之间的关系”。教材中在介绍探究这两个核心问题的实验中，所用的原电池是由“硫酸、铜片和锌片”3种材料做成的原电池。大家知道硫酸是一种具有腐蚀性的酸性液体，所以很多教师在用该原电池探究闭合电路的欧姆定律时，都不敢采用分组实验，这就导致了探究者沦为教师，学生是观众，整过探究过程学生虽然参与但不能亲历。这种“观摩”式的实验探究教学，学生对于闭合电路中常涉及到的重要概念(“路端电压U外、内电压U内和内电阻”)的理解仍处于一种“雾里看花”的状态，最后只能靠“死记硬背”来掌握这些概念。

1.2 实验探究内容过于单一

由于教材中所用的“硫酸——锌铜原电池”具有一定的危险性，所以在实际操作中实验时间和范围等将受到限制，这就导致该实验器材在实验中所要探究的内容也会受到限制。本节内容中所用到的“硫酸——锌铜原电池”所探究的内容很单一，只“探究电源电动势E与路端电压U外、内电压U内之间的关系”，而“路端电压U外与总电流I总之间的关系”只是采用了理论推导的方式，直接得出了结论，并未从实验中得出。实际上本实验装置还可以同时探究“路端电压U外与总电流I总之间的关系”，这样更能体现本实验的探究价值。

为此，笔者提出了改进该实验的装置做法，利用“酸性饮料——锌铜原电池”替代“硫酸——锌铜原电池”研究闭合电路。这样本节课的两个核心问题就可同时让学生自行探究解决，具体研究过程如下。

2 “饮料——锌铜原电池”制作的探究过程

2.1 实验猜想

锌、铜两种金属的活泼性质不同，当将这两种金属和稀硫酸做成原电池后，化学性质活泼的金属锌失去电子，铜得到电子，其反应原理如图2所示。由此可知，如果用呈酸性的常见饮料替代稀硫酸，如雪碧、可乐是否也能做成原电池呢？

图2 锌铜原电池反应原理

2.2 收集实验材料

在日常生活中常见的饮料有“可口可乐、雪碧、天地1号和橙汁”等，通过借助pH试纸检测上述饮料的酸碱性，具体内容见表1。

表1 常见饮料的pH值

发现“可口可乐、雪碧、天地1号和橙汁”等常见饮料都呈酸性，于是本次实验选取了以上常见的酸性饮料来替代稀硫酸分别与锌铜两种金属来构成原电池。

2.3 实验器材的初步设想

结合以上分析，完成本实验所需要的实验器初步设想如下：①常见饮料：可口可乐、雪碧、天地1号和橙汁；②电压表2个、安培表1个；③滑动变阻器(0～50 Ω)1个；④开关3个；⑤原电池活泼性不同的金属锌和铜，锌作负极，铜作正极；⑥导线若干。

2.4 实验器材的进一步改进

将以上提供的实验器材先制作好“酸性饮料——锌铜原电池”，再用多用电表的直流电压档依次粗测各种“酸性饮料——锌铜原电池”的电动势，测量结果见表2。

表2 测量酸性饮料—锌铜原电池的电动势

结果发现用4种“酸性饮料——锌铜原电池”的电动势都只有1 V左右，于是立即将2个电压表更换为毫伏电压表。

再根据图1将实验器材连接好，结果发现电路中的电流很小，电流表的指针偏转角度很小，于是将电流表更换为毫安表。

将电压表、电流表都更换后再进行实验，结果发现：即使滑动变阻器的阻值调到最大阻值，外电压U外依然很小，说明“酸性饮料——锌铜原电池”内阻很大，其次移动滑动变阻器的滑片时，电路中的外电压U外几乎变化不大，于是将滑动变阻器更换为电阻箱(0～9 999 Ω)。

3 用“酸性饮料——锌铜原电池”研究闭合电路

为了便于比较，自作好的“酸性饮料——锌铜原电池”中所用的锌片和铜片是同一规格的，同时每种类型的“酸性饮料——锌铜原电池”所用饮料的体积都控制在200 mL。为了便于探究，将常见饮料分为了两大类：“碳酸饮料”和“果汁饮料”。然后按图3所示装置分别制作了这两类型的饮料原电池并进行了“探究电源电动势与内电压U内、外电压U外的关系”以及“探究路端电压U外与总电流I总的关系”的实验，具体探究内容如下。

图3 “酸性饮料——锌铜原电池”实验装置

3.1 碳酸酸饮料锌铜原电池

案列1：“可乐——锌铜原电池”

利用可乐做成的“可乐——锌铜原电池”，按照图3连接好实验器材，通过改变电阻箱的读数来改变电路中的电流、内电压U内、外电压U外的大小，得到了表3中的实验数据。

表3 实验数据1

根据以上的实验数据得到外电压U外与总电流I总之间的关系图像见图4。

图4 U外-I总图像1

实验分析如下：

(1)电源电动势E与内电压U内、外电压U外的关系

从表中的数据可得出结论：电源的电动势E等于电路中的外电压U外和内电压U内之和，即：E=U外+U内。

(2)路端电压U外与总电流I总的关系

根据E=U外+U内和部分电路的欧姆定律 可得：U外=E-I总r，由此得到的实验结论是：路端电压U外与总电流I总成线性关系。

案列2：“雪碧——锌铜”原电池

利用雪碧做成的“雪碧——锌铜原电池”，按照图3连接好实验器材，通过改变电阻箱的读数来改变电路中的电流、内电压U内、外电压U外的大小，得到了表4的实验数据。

表4 实验数据2

根据以上的实验数据得到外电压U外与总电流I总之间的关系图像，见图5。

图5 U外-I总图像2

实验中同样可以得出案例1中的实验结论:

(1)电源电动势E与内电压U内、外电压U外的关系：E=U外+U内。

(2)路端电压U外与总电流I总的关系:路端电压U外与总电流I总成线性关系。

3.2 果汁酸饮料锌铜原电池

案列3：“天地1号——锌铜原电池”

利用天地1号做成的“天地1号——锌铜”原电池，按照图3连接好实验器材，通过改变电阻箱的读数来改变电路中的电流、内电压U内、外电压U外的大小，得到了表5中的实验数据。

表5 实验数据3

根据以上的实验数据得到如下的关于外电压U外与总电流I总的关系图像见图6。

图6 U外-I总图像3

实验中同样可以得出案例1中的实验结论。

案列4：“橙汁——锌铜原电池”

利用橙汁做成的“橙汁——锌铜原电池”，按照图3连接好实验器材，通过改变电阻箱的读数来改变电路中的电流、内电压U内、外电压U外的大小，得到了表6中的实验数据。

表6 实验数据4

根据以上的实验数据得到如下的关于外电压U外与总电流I总的关系图像见图7。

图7 U外-I总图像4

实验中同样可以得出案例1中的实验结论。

4 结束语

通过大量的实验，我们发现：“酸性饮料、铜和锌原电池”可以替代“硫酸、铜和锌原电池”，并能用于探究闭合电路的欧姆定律。这个实验的改进不但环保，而且与保护自然的生态文明理念相吻合，更重要的是可以让学生真正参与并开展对本实验的探究。