張小敏

摘 要：水果電池實(shí)質(zhì)為原電池，利用水果汁液與插入極片反應(yīng)在合閉電路中形成電流。本文將研究水果電池特性，包括影響水果電池電流的相關(guān)因素、水果電池的發(fā)電能力，從而得出水果電池優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析水果電池的實(shí)用性（重要的是能不能開發(fā)成科技館的體驗(yàn)互動(dòng)展品）。

關(guān)鍵詞：電池；控制變量；能量轉(zhuǎn)換；電壓電流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.176

0 引言

原理。水果電池就是原電池，就從原電池說(shuō)起，原電池的構(gòu)成條件：（1）有兩種活潑的金屬或一種金屬與一種非金屬作為電極；（2）電極均需插入電解質(zhì)溶液；（3）具有導(dǎo)線相連組成的閉合回路或具備化學(xué)能變成電能的條件。

世界上最早的化學(xué)電池是意大利物理學(xué)家伏特設(shè)計(jì)并制成的。他把銅和鋅作為兩個(gè)電極插入食鹽溶液中，制成了最簡(jiǎn)單的化學(xué)電池。

用其他方法取代伏特電池，用水果代替其電解質(zhì)，看看效果如何？

選擇水果電池背景：選擇水果電池除了探究水果電池的特性及其實(shí)用性，更重要的是探究水果電池能否開發(fā)成為互動(dòng)體驗(yàn)教育的科普展品。（1）興趣方面，水果電池將有足夠的吸引力。買水果做實(shí)驗(yàn)，其中買了一些很不新鮮，不像用來(lái)吃的。路人不解，我說(shuō)做電池用，他們甚是驚奇：水果也能做電池？無(wú)論年齡大小、學(xué)歷高低都表示很驚訝。（2）科學(xué)知識(shí)普及方面， 有機(jī)電池屬于亟待探索的新能源。水果電池（就是有機(jī)電池的一種）蘊(yùn)含化學(xué)知識(shí)（原電池原理），電學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（電流的產(chǎn)生、常用電學(xué)元件的使用、簡(jiǎn)單電路的連接方法），能量轉(zhuǎn)換知識(shí)（化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能、電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能或動(dòng)能）。（3）體驗(yàn)教育方面，水果電池實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)單安全性高，便于開展體驗(yàn)教育式。通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)（制作水果電池、簡(jiǎn)單電路連接），測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)體驗(yàn)讓人們自己當(dāng)“科學(xué)家”，進(jìn)行科學(xué)探索， 自主學(xué)科學(xué)，體驗(yàn)科學(xué)探索的樂趣和成功的喜悅，真正理解“科學(xué)就在身邊，我們都是科學(xué)家”?？梢栽隗w驗(yàn)中加上用水果電池點(diǎn)亮LED燈、帶動(dòng)小鬧鐘（自制小鬧鐘）等，增添了探索趣味性。

研究方法：實(shí)驗(yàn)探究、控制變量法、多次測(cè)量求平均值

正文：

1 研究所需器材

各種水果，大蒜，土豆， 帶鱷魚夾的導(dǎo)線若干，各種金屬（銅、鋅等），碳棒，量筒，燒杯，榨汁機(jī)，銼刀，502膠水，膠帶，電流表，電壓表，小燈泡，音樂卡，小鬧鐘，小收音機(jī)，各種兒童玩具。

2 研究步驟

（1）實(shí)驗(yàn)第一階段：實(shí)驗(yàn)研究影響水果電池電壓大小的因素，并總結(jié)得出最優(yōu)質(zhì)的水果電池。

1）在兩電極后端連上導(dǎo)線，它們相當(dāng)于電源的正負(fù)極，并將導(dǎo)線接在電壓表的正極和負(fù)極上。

2）將電極插入水果中，最好在插口處填入一點(diǎn)去極劑（二氧化錳和炭粉各一半混合而成）可看到電壓表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。記下電壓表的值，換用電流表做實(shí)驗(yàn)，記下電流表的示數(shù)，并填寫下表。

3）換用不同的電極材料重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，記下電流表和電壓表的值。

4）換用不同的水果，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，記下電流表和電壓表的值。

5）比較各個(gè)值，判斷水果電池電壓的大小與什么因素有關(guān)，從而選出最好的水果電池。

（2）實(shí)驗(yàn)第二階段：觀察水果電池對(duì)用電器的供電情況，找出增大水果電池電壓的方法。將實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)質(zhì)的水果電池連接到電路上，觀察用電器的工作情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象找到改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法。

1）從上一步驟中選出較優(yōu)質(zhì)的水果電池進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)。

2）將所選的水果電池與用電器串聯(lián)，觀察用電器的使用情況。

3）針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出改正實(shí)驗(yàn)的措施。

3 數(shù)據(jù)記錄及分析

實(shí)驗(yàn)條件：在室溫24℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，d表示兩電極片間的距離，L表示極片的寬度，h表示極片插入的深度。

表1：控制d，L，h，電極片的種類，水果的成熟度、新鮮度，改變水果的種類。d=1.00cm，L=0.50cm，h=1.00cm， 電極片為銅-鋅組合。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 葡萄產(chǎn)生的電壓較大，獼猴桃和檸檬產(chǎn)生的電流較大。

表2：控制d，L，h， d=1.00cm，L=0.50cm，h=1.00cm， 電極片為銅-鋅組合。

改變水果的成熟度、新鮮度以及將水果變成果汁。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 同一種成熟的水果汁液越多，產(chǎn)生的電壓越大，產(chǎn)生的電流明顯增大。

表3：控制d，L，h， 水果：葡萄，d=1.00cm，L=1.50cm，h=2.00cm（刻度尺為最小刻度為1mm）。改變電極片的種類。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)：兩電極的活潑性差距越大產(chǎn)生的電壓越大。

表4：控制d，h， d=1.00cm，h=2.00cm，電極片為銅-鋅組合，水果：葡萄汁。改變L。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)： L越大，產(chǎn)生的電壓越大，電流增大和減小都有可能發(fā)生。

表5：控制d，L， d=1.00cm，L=0.40cm， 電極片為銅-鋅組合， 水果：葡萄，改變h。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)： h越大，產(chǎn)生的電壓越大，電流也增大。

表6：控制控制L，h， L=0.50cm，h=1.00cm， 電極片為銅-鋅組合，

水果：葡萄，改變d。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)：d越小產(chǎn)生的電壓越小，產(chǎn)生的電流變大。

表7：控制d，L，h，葡萄汁，d=5.70cm，L=0.80cm，h=5.00cm將組合串聯(lián)或者并聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)：水果電池供電時(shí)，并聯(lián)電壓較串聯(lián)小，但是并聯(lián)電流電流卻大得多。

4 實(shí)驗(yàn)分析

（1）水果中有機(jī)酸的含量越多則產(chǎn)生的電壓和電流較大，而不是越酸的水果發(fā)電能力越強(qiáng)。

關(guān)于有機(jī)酸做以下簡(jiǎn)單說(shuō)明。1）在植物的各個(gè)器官中普遍存在有機(jī)酸，其中果實(shí)中主要以自由酸的形式存在，葉中主要是有機(jī)酸的鹽類。2）有機(jī)酸易溶于水、醇、醚中，按照分子結(jié)構(gòu)的不同可區(qū)分為甘醇酸、乳酸、蘋果酸、酒石酸、檸檬酸、杏仁酸等37種。3）果蔬酸味與有機(jī)酸的濃度有必定的關(guān)系，但并不是正相關(guān)。它還取決于糖的含量（即糖酸比）、單寧物資、游離氫離子濃度、酸的品種和緩沖物資的特征。因此并不是越酸的水果有機(jī)酸的含量越高。4）果蔬中有機(jī)酸的含量除了取決于其品種，還取決于其成熟度、產(chǎn)地、以及氣候條件等因素。根據(jù)表1結(jié)論選擇未成熟的檸檬、葡萄、獼猴桃來(lái)發(fā)電。

（2）根據(jù)表2結(jié)論水果汁發(fā)酵后并不會(huì)影響其產(chǎn)生的電壓和電流。所以選擇果汁來(lái)發(fā)電。

（3）根據(jù)表3結(jié)論，碳和鎂組合效果較好，但是考慮實(shí)驗(yàn)的普遍性，選擇銅片與鋅片組合實(shí)驗(yàn)效果較好。

（4）根據(jù)表4、表5結(jié)論所以根據(jù)盛裝果汁容器來(lái)確定L、h，h盡可能增大，h增大產(chǎn)生的電壓越大內(nèi)阻變化較小，所以電流增大。

（5）根據(jù)表6結(jié)論d越小產(chǎn)生的電壓越小，但是內(nèi)阻變小，所以產(chǎn)生的電流變大。水果電池的供電一般情況表明電池的內(nèi)阻越小越好，但是d太小容易短路，所以選擇d=0.50cm。

（6）水果電池供電時(shí)，電壓比較容易達(dá)到，電流較難達(dá)到，所以多采用并聯(lián)連接方式。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

最佳水果電池設(shè)計(jì)見表8：

6 實(shí)驗(yàn)討論

（1）水果電池的發(fā)電能力取決于水果中有機(jī)酸的含量，但是有機(jī)酸的含量除了取決于其品種，還取決于其成熟度、產(chǎn)地、以及氣候條件等因素。由于實(shí)驗(yàn)條件只對(duì)品種和成熟度進(jìn)行研究。

（2）同一個(gè)水果不同部分有機(jī)酸的含量不同對(duì)發(fā)電能力的影響，以及溫度對(duì)水果電池的發(fā)電能力的影響。

（3）實(shí)驗(yàn)中未對(duì)水果的水份含量的測(cè)定、水果的有機(jī)酸定量測(cè)定以及PH值測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中所用到的電極片的L、h、d只是采用刻度尺進(jìn)行測(cè)量，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差偏大。

（4）實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)2杯100mL葡萄汁并聯(lián)后能持續(xù)供電2天，兩天以后更換電極片后電壓仍保持一杯U=0.960V，但是電流從I=16.00mA增大到I=20.00mA，原因是內(nèi)阻變小，是什么導(dǎo)致內(nèi)阻變?。?/p>

（5）原電池中用鹽橋代替導(dǎo)線可以使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，那么水果電池也可以用鹽橋代替導(dǎo)線。

（6）水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的探討。

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