陳燕琴

摘 要：可樂化學(xué)原電池因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視性及其內(nèi)電壓的可測性使其在高中物理恒定電流的教學(xué)中具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)等教學(xué)功能，但實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)可樂電池內(nèi)外電壓之和不穩(wěn)定甚至總電阻不變時(shí)內(nèi)外電壓值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，通過多次實(shí)踐研究，找到了可樂電池電壓不穩(wěn)定的原因與解決措施，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化可樂電池的目的，取得了較好實(shí)驗(yàn)效果.

關(guān)鍵詞：可樂電池;內(nèi)電壓;外電壓;定量測量;數(shù)據(jù)穩(wěn)定

人教版選修3-1第二章恒定電流中，諸多內(nèi)容需要圍繞“電源”展開教學(xué)，例如“電源和電流”“電動(dòng)勢”“閉合電路歐姆定律”“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”等.干電池、蓄電池等往往由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不直觀性而給學(xué)生的理解造成一定的障礙，化學(xué)原電池的使用可在保留電池基本功能的同時(shí)呈現(xiàn)直觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，更易于教學(xué)難點(diǎn)和學(xué)生思維障礙的突破.然而以硫酸為電解液的化學(xué)原電池由于安全隱患而往往只能局限于演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法親手實(shí)踐、嘗試，始終存有不小的教學(xué)遺憾.可樂電池不僅取材容易制作簡單，更能使上述問題迎刃而解，然而實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)可樂電池經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)外電壓之和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，以及在回路總電阻不變時(shí)出現(xiàn)電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)測量誤差較大，而相關(guān)報(bào)道的參考文獻(xiàn)又非常少.筆者通過長期的實(shí)踐研究，找出了其中的本質(zhì)原因，并通過一系列的優(yōu)化措施實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可樂電池電壓測量數(shù)據(jù)及穩(wěn)定內(nèi)外電壓之和的效果，進(jìn)而更好地發(fā)揮其教學(xué)實(shí)踐功能.

1 可樂電池實(shí)驗(yàn)及其典型問題

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

可樂電池（如圖1）、電壓傳感器（或數(shù)字式萬用表如圖2）、可變電阻（如圖3）、導(dǎo)線等.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理與電路圖

實(shí)驗(yàn)原理為U外+U內(nèi)=E，電路圖如圖4所示，選用最大阻值為1KΩ的可變電阻作為外電阻.

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1.

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外電路處于斷開狀態(tài)時(shí)，開路電壓較穩(wěn)定.但當(dāng)外電路接通且外電阻處于最大值1KΩ時(shí)，內(nèi)外電壓之和明顯降低，當(dāng)外電阻從最大值逐漸調(diào)小時(shí)，內(nèi)外電壓之和也隨之逐漸減小， 同時(shí)當(dāng)回路總電阻不變時(shí)內(nèi)電壓和外電壓測量數(shù)據(jù)處于不斷的波動(dòng)狀態(tài)，電壓值非常不穩(wěn)定，如圖5所示.實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)若將可樂電池電路斷開并靜置一段時(shí)間后，其開路電壓又能恢復(fù)到0.9V附近，但隨著電路的閉合又會(huì)呈現(xiàn)內(nèi)外電壓之和逐漸減小的態(tài)勢.

2 內(nèi)外電壓之和及電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的分析與解決

為什么可樂電池的內(nèi)外電壓之和不是常數(shù)？外電阻減小時(shí)為什么內(nèi)外電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定？進(jìn)一步觀察表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外電阻處于最大值1KΩ時(shí)外電壓也僅有0.19V，而內(nèi)電壓卻有0.55V，說明可樂電池的內(nèi)電阻要遠(yuǎn)大于1KΩ.電壓測量數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，是不是因?yàn)橥怆娮枳柚挡粔虼蠖鴮?dǎo)致的呢？為此筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).

2.1 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案1：增大外電阻

將外電阻換作最大阻值為100KΩ的可變電阻，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2.

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外電阻較大時(shí)，內(nèi)外電壓之和相對(duì)比較穩(wěn)定，而且各組電壓測量過程中也沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象.但當(dāng)外電阻小到一定程度時(shí)，內(nèi)外電壓之和又會(huì)明顯減小，且各組電壓又呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài).這說明，外電阻越大越有助于內(nèi)外電壓之和及各組電壓測量值的穩(wěn)定.怎樣才能實(shí)現(xiàn)將外電阻減小到較小的阻值時(shí)也能得到穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)呢？為此筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).

2.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案2：增大內(nèi)電阻

減小可樂電池內(nèi)部可樂與金屬極板的接觸面，即通過減小可樂液面高度實(shí)現(xiàn)增大電源內(nèi)阻，如圖6所示.同樣使用最大阻值為100KΩ的可變電阻作為外電阻，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3.

增大內(nèi)電阻之后，發(fā)現(xiàn)外電路斷開時(shí)內(nèi)電壓值并不為零，但數(shù)值非常小約為0.02V～0.06V，這是因?yàn)殡妷簜鞲衅鞯倪B接使回路中有小電流存在，故而內(nèi)電路中有較小的內(nèi)電壓.但在增大內(nèi)電阻的情況下，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)電壓和外電壓能保持穩(wěn)定，而且即使當(dāng)外電阻調(diào)到較小的電阻值時(shí)，內(nèi)外電壓之和仍能保持穩(wěn)定，如圖7所示.測量過程中電壓表的讀數(shù)也沒有出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)的現(xiàn)象.

2.3 內(nèi)外電壓之和及電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因分析

通過增大外電阻和內(nèi)電阻能有效實(shí)現(xiàn)可樂電池內(nèi)外電壓之和的穩(wěn)定及每個(gè)電阻值對(duì)應(yīng)的內(nèi)外電壓測量值的穩(wěn)定.這是因?yàn)橥ㄟ^增大閉合電路的總阻值減小了電池工作電流，有效防止電池在大電流放電情況下導(dǎo)致的極化現(xiàn)象，這也是為什么當(dāng)將可樂電池電路斷開靜置一段時(shí)間后其開路電壓又能恢復(fù)初始值的原因所在.這一現(xiàn)象與用干電池測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中為什么要防止干電池大電流放電的原理一致.

2.4 其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)改良措施

實(shí)踐中，筆者也發(fā)現(xiàn)了其他有助于形成穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定的措施：

（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)用砂紙除去鋅板表面的氧化層，如圖8所示.

（2）擰開可樂瓶蓋靜置一段時(shí)間直至附著在金屬極板表面的氣泡極少.也可輕輕敲擊可樂容器底部使可樂液體中的氣泡快速排出.若靜置12小時(shí)，液面及鋅板表面幾乎無氣泡，如圖9所示.本文中所用可樂在開蓋下靜置了24小時(shí).

3 可樂電池的應(yīng)用實(shí)例

3.1 突破電動(dòng)勢教學(xué)難點(diǎn)

通過學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)測量閉合電路中可樂電池內(nèi)電壓和外電壓值，研究電源內(nèi)外電壓的關(guān)系，從而有效建構(gòu)電動(dòng)勢的概念.并通過觀察外電阻改變時(shí)，內(nèi)外電壓都發(fā)生改變而二者之和保持不變，突破電動(dòng)勢僅取決于電源本身與其所處的狀態(tài)無關(guān)的教學(xué)難點(diǎn).

3.2 演示電源大電流放電的極化現(xiàn)象

大電流放電實(shí)驗(yàn)中，可樂電池內(nèi)外電壓之和明顯下降是因?yàn)槠潆妱?dòng)勢在明顯減小，利用這一直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生體驗(yàn)為什么電源長時(shí)間放電電流不宜太大的原因.

3.3 演示閉合電路歐姆定律

通過利用注射針筒壓縮或抽出氣體（如圖10），使可樂液體連接部分的液面高低發(fā)生改變，通過改變電源內(nèi)電阻，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)閉合電路中電流的變化，并讓學(xué)生直觀體驗(yàn)電源內(nèi)電阻的存在及其動(dòng)態(tài)變化，有效引導(dǎo)學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律的學(xué)習(xí).

3.4 演示測定電池電動(dòng)勢和內(nèi)電阻

由于可樂電池的內(nèi)電阻大小調(diào)節(jié)非常方便，可以形成非常明顯的外電壓隨外電阻變化而變化的現(xiàn)象，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中由于電池內(nèi)阻不夠大而導(dǎo)致的電表示數(shù)變化不明顯的難題，進(jìn)而有效減小實(shí)驗(yàn)誤差.為防止大電流放電導(dǎo)致電池極化，實(shí)驗(yàn)中的電流不能太大.實(shí)驗(yàn)中利用量程為20mA 的多量程電流傳感器測量電流，當(dāng)電流過小時(shí)易導(dǎo)致電流測量誤差的增加，圖11是在增加內(nèi)電阻（降低可樂液面高度）但外電阻較小時(shí)所測6組數(shù)據(jù)畫出的U-I圖象.

通過可樂電池電壓測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問題的解決及可樂電池的進(jìn)一步優(yōu)化，有效化解教師在使用可樂電池中存在的技術(shù)障礙，輕松實(shí)現(xiàn)電源諸多相關(guān)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施，甚至實(shí)現(xiàn)教師演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生親身體驗(yàn)物理知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展過程提供條件，有效建構(gòu)物理概念和規(guī)律，滲透科學(xué)思維方法，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科素養(yǎng)的有效培養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1] 周上游.用可樂電池測量電源外電壓與內(nèi)電壓的探究[J].實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)，2016（S2）：40-41.