銅鋅原電池-創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)與改進(jìn)

銅鋅原電池——?jiǎng)?chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)與改進(jìn)一、設(shè)計(jì)思路來(lái)源此教具是用于演示化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的原電池教具。在平時(shí)常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)銅鋅原電池教具，詳見(jiàn)人教版化學(xué)必修第二冊(cè)第36頁(yè)：圖1

教材中原電池裝置該實(shí)驗(yàn)裝置只能從靈敏電流計(jì)表中定性的觀察到指針偏轉(zhuǎn)，無(wú)法定量采集數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電流強(qiáng)度過(guò)小，實(shí)驗(yàn)限制條件較多，很難讓學(xué)生從客觀上去體驗(yàn)。因此，在原教材上銅鋅原電池裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可以定量采集數(shù)據(jù)的新型原電池實(shí)驗(yàn)教具（如圖2）。圖2

自制銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)教具二、設(shè)計(jì)思路生活中的常規(guī)能量轉(zhuǎn)為，化學(xué)能經(jīng)過(guò)一系列能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，間接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率低，轉(zhuǎn)化過(guò)程中損耗多，故將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的原電池裝置應(yīng)運(yùn)而生。將銅片和鋅片插入稀硫酸時(shí)，連接裝置形成銅鋅原電池，鋅片失去電子，電子定向移動(dòng)，形成電流，但是強(qiáng)度過(guò)小，不利于實(shí)驗(yàn)觀察。因此，在這個(gè)自制銅鋅原電池教具設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅能具體采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)改變?cè)姵卣?fù)極間距大小和電極材料參與反應(yīng)的接觸面積大小這兩個(gè)因素，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)ESP32藍(lán)牙傳輸至手機(jī)端，使用phyphox精密地繪制出隨著原電池正負(fù)極間距大小，電極材料參與反應(yīng)的接觸面積大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像，如圖3，圖4所示：圖3

原電池正負(fù)極間距圖

圖4參與反應(yīng)的接觸面積在銅鋅原電池裝置體系中，其他實(shí)驗(yàn)條件確定時(shí)，原電池的正負(fù)極間距增大，電解質(zhì)溶液中的內(nèi)阻增大，電流強(qiáng)度減??；其他實(shí)驗(yàn)條件確定時(shí)，電極材料參與反應(yīng)的接觸面積增大，參與反應(yīng)的電極材料增多，電流強(qiáng)大增大。三、困難與不足之處在確定自制教具的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，原本以為該實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，操作起來(lái)也會(huì)比較順利，實(shí)際操作過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題：（1）在設(shè)計(jì)中間可移動(dòng)的亞克力板時(shí)，需要在原電池反應(yīng)槽中設(shè)計(jì)3條軌道，軌道的空隙間距和可移動(dòng)的亞克力板凸起部分的經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，已便在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)卡住。（2）原本絲桿電極的轉(zhuǎn)數(shù)為30，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程移動(dòng)速度過(guò)慢，故更換轉(zhuǎn)數(shù)為200的絲桿電極，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加完整清晰。（3）電極材料的選擇，理論上在銅鋅原電池反應(yīng)過(guò)程中，銅極表面上有大量氣泡產(chǎn)生，鋅極表面逐漸溶解，沒(méi)有氣泡，實(shí)際操作過(guò)發(fā)現(xiàn)由于鋅極純度不夠，有雜質(zhì)存在，表面也有氣泡產(chǎn)生，而氣泡的產(chǎn)生，也會(huì)影響兩電極之間的電勢(shì)差，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（4）電解質(zhì)溶液稀硫酸濃度不易過(guò)大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中兩電極之間間距調(diào)整數(shù)據(jù)有限，若濃度過(guò)大，數(shù)據(jù)改變不過(guò)明顯，能否找到一個(gè)更加理想方便的電解質(zhì)溶液替換，需要后續(xù)去不斷驗(yàn)證探索。四、創(chuàng)新性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)教材中的很多定性實(shí)驗(yàn)可以采取更加先進(jìn)的儀器設(shè)備進(jìn)行定量測(cè)量，獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)的圖像。智能手機(jī)的廣泛使用，逐漸取代了必須在電腦中繪制圖像的限制，比如智能手機(jī)中的免費(fèi)phyphox軟件，通過(guò)頁(yè)面編程即時(shí)顯示有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)建立坐標(biāo)系，能夠直觀對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單，可測(cè)量物理量全面，并且能夠配合投屏軟件，可以實(shí)時(shí)將手機(jī)屏幕顯示在多媒體電腦上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用的是ESP32開(kāi)發(fā)板，可以通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，老師只需在手機(jī)上下載phyphox軟件即可獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)以及圖像，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)變化可以實(shí)時(shí)在跟蹤