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制作水果电池的实验探究

发布者:佛山市教育局电教站发布时间:2021-06-30 16:51

 

佛山市南海区大沥高级中学  易慕贤

 

摘要:结合新课程标准理念,本文就“水果电池的制作”进行了实验探究,设计了该探究实验的实验方案、实验材料及仪器、实验结论、实验反思。

关键词:水果电池、实验、探究、电动势

 

 

1  实验探究提出的背景

科学探究是高中化学新课程标准提倡的重要理念之一,倡导学习者主动参与,勤于动手,培养学习者搜集和处理信息、获取新知识、分析和解决问题、交流与合作的能力1。基于这种思想,为了提高学生在教学中参与性,进行切合实际的青少年科技实践活动。学习人教版化学必修2第二章《化学能与电能》时进行了制作水果电池的实验探究。

2  提出假设(猜想)

组织同学讨论,水果电池的电动势和电流强度可能与哪些因素有关?有些同学说是与水果的种类有关,有些同学说与电极的材料有关,有些同学说与电极的接触面积有关,还有些同学说与水果的成熟程度有关。

3  研究原理:

3.1  化学原理——原电池原理:

将锌片和铜片用导线连接(导线中间接入一个电流表),平行插入盛有稀硫酸的烧杯中,就构成了一个简单的原电池,可以观察到电流表指针的偏转。

水果电池机理与原电池相似,将金属性不同的电极材料(或石墨)插入水果中,用导线将不同电极与电流表连结,就会有电流表指针的偏转,证明有电流通过,但必须满足三个基本条件:

(1) 电极金属活动性不同。

(2) 电极材料应处在同一水果内,或水果之间有连结。

(3) 电路必须为一闭合回路。

3.2  生物学原理——果蔬材料内的物质及结构:

水果中含有大量糖类、蛋白质、生物酸等电解质往水果中插入不同金属电极,它们之间会有电压,就形成水果电池。所有水果,甚至一般的动、植物都含有电解质,都可做电池。[2]其实,电池发电的原理是溶液里的离子和电子通过电极和电线在流动。果汁里就含有不少离子。

4  研究目的

4.1  复习原电池原理和化学电池的组成条件

4.2  认识影响水果电池的电流、电动势的因素

4.3  让学生关心日常生活中的科学现象。课内外结合,通过对周围生活世界现象或事件积极探索,主动获取经验。培养勇于探索、创新、动手动脑的科学实践能力。

5  实验准备

5.1  水果电池的电动势和电流强度可能与哪些因素有关?搜集资料:在网上输入“水果电池”或“水果发电”,网上有关的资料主要分成两类:一是直接用水果做电池装置。另一类是利用腐烂的水果发酵产生甲烷气体作燃料,建造发电站。例如:澳大利亚科学家研究发现:将香蕉放进密闭的容器里让它们腐烂,结果从中可得到甲烷,用来发电。澳大利亚的蕉农再不必为卖不出去的香蕉发愁了![3]

经查资料发现:水果电池的电流强度、电动势与水果的种类、成熟程度、电极材料、电极深度、电极间的距离等因素都有关系。

52实验材料准备:

521水果(橙、蕃茄等)、铜片、锌片、铝片(4cm ×4.5cm)、镁条(6cm×0.4cm)、石墨棒(直径1cm ,长6cm)、万用表、砂纸、导线(带鳄鱼夹)、音乐贺卡(带发光二极管)、水果刀、纱布。

522实验前将橙等水果切开,并在果肉划几刀,以增加导电性。

523实验前必须用砂纸将镁条、铝片、锌片和铜片表面的氧化膜打磨干净

6  实验步骤:指导学生按以下实验报告进行步骤:

 

二、猜想:水果电池的电动势、电流强度与哪些因素有关?(可不填满)

    三、实验用品、仪器:                            

    四、实验过程:(如果还有其它方案,可在后面的空格中填)

    请按以下表的要求做实验,以音乐贺卡和发光二极管做负载,并填写下表:

(如果没有音乐卡,改用耳机试听将有喀啦声,或把电池的两线头放在自己的舌尖上,就可亲自感受一下"触电"的滋味了。)

7  学习心得:(可写成小报告或论文)

经过学生的分组探究,我们将其中一组学生的实验记录的结果摘录如下:

单个水果电池产生的电流比较小,但大多数都能使音乐贺卡发出响亮、动听的音乐声。虽然有些水果电池测得电池两端的电动势达1.5V,但可能是电池的内阻太大,没有一个水果电池能使发光二极管发光。为了克服这个问题,我们采用了高一必修2课本P36的“科学探究”的做法,用果汁进行实验4,发现将水果榨成果汁的发电效果比直接用水果发电的好,将果汁用水浴加热,增强了果汁的活性,使电池的效果更好,但都不能使二极管发光。数据如下:

7  实验过程中的得失、实验结论

实验完毕,经小组讨论后得出了以下结果:

71通过对同一种电极材料不同水果的比较发现:梨、苹果可能是甜性水果,效果不理想,效果最好的水果是西红柿,并且越熟越好,其次是橙子和菠萝,都与其成熟程度关系较大。

72通过对相同的水果不同的电极的比较发现:Cu-Mg、石墨-Mg之间的组合能产生最大的电动势,而Cu-Al产生的电动势较小,Zn-Al产生的电动势最小。从金属活动顺序来看,相差越远的两金属组合就越能产生相对较高的电动势。但铝却不然,因为我们发现铝、铜组合电势低于锌、铜组合,可铝与铜的间距要比锌、铜大。后来我们分析认为是因为铝介于金属与非金属,而铜的活动性又差导致的这一结果。由上表中的数据我们可以得出这样的结论:在水果电池中,两电极若均为金属,则当两电极在金属活动顺序表中相差越远,越易在电路中产生高电动势。

73许多小组的学生发现这样的现象:经砂纸打磨后的铝片作负极插入水果中电流表的指针会迅速偏转,电流急剧减小,具体原因未弄明白。(可能是因为铝片插入水果后迅速氧化而造成的)

74许多学生发现以Cu-Mg作电极时,镁带表面产生许多气泡(原因未明),镁带明显地不断溶解。这一现象使学生更深刻地认识到:原电池的负极失电子,并不断地溶解,当负极完全溶解后,电池就失效了。

75实验中还发现:许多水果电池两端测得的电压都高于发光二极管(或小电珠)的额定电压(1.5V),二极管都不发光(可能是内阻太大)。一般水果电池的内阻都很大,电路产生的电流都十分微弱,不稳定,因此水果电池很难推广应用。

8  实验反思

虽然我们在这个实验中进行了许多的探究,便还有很多需要改进和完善的地方。例如:

8.1电极材料的更新,用更不活泼的银片代替铜片作正极的效果可能会更好。

8.2如果实验条件许可,我们还可以将多个水果电池进行“并联”或“串联”,再测其电流和电动势。

8.果汁比例还可以通过深入的研究找到更好配比,盛装果汁的容器是不是设计得更加美观和更有创意。

8.4我们还可以利用物理学的知识,通过测得的电流和电动势,粗略计算出不同水果的内阻。

8.5一些资料显示,某些蔬菜(例如:马铃薯)也可以制成电池,我们可以鼓励更多的学生在课外去探究。

这个探究实验的成果虽然不能解决人们的用电量需求,但是这条寻找新能源的方法是值得我们肯定的,说不定有一天“奇迹”出现,通过水果能成功地找到新能源,既使我们大量腐烂的水果得到合理的利用,减少环境污染,也为世界解决能源短缺的问题。通过这样实践活动,学生经历了提出问题、制定计划、查资料、解释与结论和表达、交流与合作等科学探究环节,从中体会到科学探究的艰辛和乐趣;而且由问题提出到解决过程都是由学生自行决定的,具有很强的开放度和独立性,对落实科学探究、培养和发展学生探究性学习能力具有相当重要的作用。

 

 

 

参考资料:

1、  [1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(实验)[S].人民教育出版社200330

2、  [2]水果电池的研究与制作[OL](摘自“教师俱乐部网”)

3、  [3]澳洲蕉农不再发愁,烂香蕉可发电[OL](摘自“南方农村报”)

4、  [4]人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书化学(必修2[M].人民教育出版社,200436

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