丁娟娟 朱毓卿

摘要：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究了鋅銅單液原電池的電流強(qiáng)度與穩(wěn)定性并利用溫度傳感器測(cè)定溫度變化來(lái)解釋電流衰減的原因。對(duì)傳統(tǒng)的雙液原電池進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，設(shè)計(jì)出試劑用量少、電流強(qiáng)度大、穩(wěn)定性高、易便攜的微型雙液電池、微型膜電池，并將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的微型原電池應(yīng)用于小風(fēng)扇可使其工作40 min，應(yīng)用于電子表工作約72 h，還可使小車(chē)跑起來(lái)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；鋅銅原電池；膜電池；微型雙液電池

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12x-0081-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.020

一、研究背景

能源問(wèn)題是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問(wèn)題，如何開(kāi)發(fā)研究具有高性能、穩(wěn)定的電池成為了解決能源問(wèn)題的一個(gè)重要研究方向。中學(xué)生是一個(gè)國(guó)家的未來(lái)和希望，因此，在日常教學(xué)中注重培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)新能力尤為重要。原電池在中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)中占據(jù)著重要的地位已有許多相關(guān)研究。[1-4]本研究以如何獲得高效便攜Zn-Cu原電池為探究目的，采用數(shù)字化傳感器引導(dǎo)學(xué)生對(duì)鋅一銅單液原電池進(jìn)行改進(jìn)。

二、實(shí)驗(yàn)用品

1．實(shí)驗(yàn)藥品

0.5 mol/L CuS04．0.5 mol/L ZnS04，飽和KCl溶液，Cu片（3.5cmx6cm），Zn片（3.5cmx6cm），KCl鹽橋。

2．實(shí)驗(yàn)用品

數(shù)據(jù)采集器、電腦、電流傳感器、溫度傳感器（見(jiàn)圖1），離子交換膜，KCl鹽橋，燒杯，導(dǎo)線，小風(fēng)扇，純棉濕巾，電子表，小車(chē)。

三、研究性教學(xué)流程

環(huán)節(jié)-：Zn-Cu單液原電池的電流強(qiáng)度與穩(wěn)定性探究。

任務(wù)1：組裝Zn-Cu單液原電池并用電流傳感器和溫度傳感器測(cè)定電池放電10 min電流以及溫度變化。

學(xué)生活動(dòng)：組裝Zn-Cu單液原電池裝置并測(cè)出放電10 min電流從0.19A衰減至0.13A，溫度從22.3上升至23.1℃，變化如圖2左側(cè)所示。

設(shè)計(jì)意圖：讓同學(xué)們掌握構(gòu)成原電池裝置的一般要素，通過(guò)數(shù)據(jù)感知單液原電池強(qiáng)度大但不穩(wěn)定易衰減，能量損耗大。

任務(wù)2：分析Zn-Cu單液原電池電流衰減原因。

學(xué)生活動(dòng)：觀察Zn電極放電10 min后表面覆蓋了紅黑色固體如圖2右側(cè)所示。猜想Zn與CuSO4電解液直接發(fā)生了置換反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生分析出單液原電池因負(fù)極Zn片直接與CuSO4電解液反應(yīng)導(dǎo)致能量衰減，且鋅片表面覆蓋銅影響電子的轉(zhuǎn)移，因此電流不穩(wěn)定。

環(huán)節(jié)二：Zn-Cu原電池改進(jìn)之-：KCl鹽橋雙液原電池。

任務(wù)3：利用KCl鹽橋組裝KCl鹽橋雙液原電池。

學(xué)生活動(dòng)：組裝鹽橋雙液原電池。

設(shè)計(jì)意圖：在分析單液原電池缺陷的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)，鞏固對(duì)于構(gòu)成原電池裝置的一般要素知識(shí)的掌握。

任務(wù)4：利用電流傳感器與溫度傳感器測(cè)定KCl鹽橋雙液原電池放電10 min電流與溫度變化，對(duì)比單液和雙液原電池優(yōu)缺點(diǎn)。

學(xué)生活動(dòng)：測(cè)定放電10 min電流與溫度變化如圖3所示，電流強(qiáng)度僅為0.05A約為單液電池20%，放電10 min電流無(wú)衰減且溫度維持29C幾乎無(wú)變化?？偨Y(jié)得出鹽橋雙液原電池電流更穩(wěn)定，能量損耗低但電流強(qiáng)度小。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

任務(wù)5：如何提高KCl鹽橋雙液原電池的電流強(qiáng)度。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生結(jié)合物理知識(shí)解釋?zhuān)}橋長(zhǎng)度大橫截面積小電阻大，因此電流小。提出可以通過(guò)縮短鹽橋距離，增大鹽橋橫截面積來(lái)減小電阻。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)同學(xué)們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)學(xué)科融合解決問(wèn)題。

環(huán)節(jié)三：Zn-Cu原電池改進(jìn)之二：微型雙液原電池。

任務(wù)6：如何設(shè)計(jì)出溶液用量少易便攜的微型雙液原電池？

學(xué)生活動(dòng)：查閱資料從伏打電池得到啟發(fā)，用綿柔巾浸取CuSO4與ZnSO4溶液將Zn、Cu包裹，用浸取KCl溶液綿柔巾作鹽橋如圖4所示。

設(shè)計(jì)意圖：鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。

任務(wù)7：測(cè)定微型鹽橋雙液原電池放電10 min電流變化。

學(xué)生活動(dòng)：測(cè)定電流變化如圖4所示，電流強(qiáng)度約為0.16A放電10 min無(wú)衰減。學(xué)生發(fā)現(xiàn)微型雙液原電池不僅試劑用量少，電流強(qiáng)度大且穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比感知微型雙液原電池優(yōu)點(diǎn)，體會(huì)創(chuàng)新的成就感，為學(xué)生埋下創(chuàng)新的種子。

環(huán)節(jié)四：Zn-Cu原電池改進(jìn)之三：微型膜雙液原電池。

任務(wù)8：溶液用量少、便攜的微型雙液原電池的再創(chuàng)新。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生查閱文獻(xiàn)從熱點(diǎn)的膜電池中得到啟發(fā)，提出方案利用膜代替鹽橋，設(shè)計(jì)出微型膜雙液原電池如圖5所示。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿，培養(yǎng)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)，勇于創(chuàng)新的精神。

任務(wù)9：測(cè)定微型膜雙液膜電池放電10 min電流變化。

學(xué)生活動(dòng)：測(cè)定放電10 min電流變化如圖5所示，電流強(qiáng)度為0.16A放電10 min電流無(wú)衰減，總結(jié)得出微型雙液膜電池所用試劑少電流強(qiáng)度大且穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)意圖：鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

環(huán)節(jié)五：微型膜雙液原電池的創(chuàng)新應(yīng)用。

任務(wù)10：將試劑用量少、便攜的電流強(qiáng)度大且穩(wěn)定的微型膜雙液原電池應(yīng)用于用電器。

學(xué)生活動(dòng)：微型膜雙液原電池應(yīng)用于小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和兩節(jié)5號(hào)電池的速度幾乎一樣，該小風(fēng)扇可持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為40min。微型膜雙液原電池應(yīng)用于電子表裝置可以持續(xù)工作72小時(shí)，還可以應(yīng)用于小車(chē)，如圖6所示。

設(shè)計(jì)意圖：將理論應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生良好的社會(huì)責(zé)任感。

四、總結(jié)與展望

本文利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微觀變化以圖像和數(shù)字的形式表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)化和可視化。通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電池進(jìn)行逐步改進(jìn)，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)的微型原電池應(yīng)用于小風(fēng)扇、電子表和小車(chē)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)化學(xué)的趣味性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和深入探究的欲望。培養(yǎng)了學(xué)生們，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。讓理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，彰顯化學(xué)知識(shí)服務(wù)社會(huì)的科學(xué)精神。

參考文獻(xiàn)

[1]馬翠翠．手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究夾心式膜電池的創(chuàng)新改進(jìn)[J]．化學(xué)教育（中英文），2020，41（7）64-70.

[2] 杜愛(ài)萍．雙液原電池鹽橋的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]．化學(xué)教與學(xué)，2019（11）：80-82

[3] 劉玲．基于濾紙的多電極原電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]．化學(xué)教學(xué)，2016（9）：49-50.

[4]盛曉婧．利用數(shù)字化手持技術(shù)探究原電池電流和溫度的變化[J]．化學(xué)教育．2016，37（5）：61-65．