水果电池实验探究.docx

水果电池实验探究 张小敏摘 要：水果电池实质为原电池，利用水果汁液与插入极片反应在合闭电路中形成电流。本文将研究水果电池特性，包括影响水果电池电流的相关因素、水果电池的发电能力，从而得出水果电池优化设计、分析水果电池的实用性（重要的是能不能开发成科技馆的体验互动展品）。关键词：电池；控制变量；能量转换；电压电流DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.1760 引言原理。水果电池就是原电池，就从原电池说起，原电池的构成条件：（1）有两种活泼的金属或一种金属与一种非金属作为电极；（2）电极均需插入电解质溶液；（3）具有导线相连组成的闭合回路或具备化学能变成电能的条件。世界上最早的化学电池是意大利物理学家伏特设计并制成的。他把铜和锌作为两个电极插入食盐溶液中，制成了最简单的化学电池。用其他方法取代伏特电池，用水果代替其电解质，看看效果如何？选择水果电池背景：选择水果电池除了探究水果电池的特性及其实用性，更重要的是探究水果电池能否开发成为互动体验教育的科普展品。（1）兴趣方面，水果电池将有足够的吸引力。买水果做实验，其中买了一些很不新鲜，不像用来吃的。路人不解，我说做电池用，他们甚是惊奇：水果也能做电池？无论年龄大小、学历高低都表示很惊讶。（2）科学知识普及方面， 有机电池属于亟待探索的新能源。水果电池（就是有机电池的一种）蕴含化学知识（原电池原理），电学基础知识（电流的产生、常用电学元件的使用、简单电路的连接方法），能量转换知识（化学能转换成电能、电能转换成内能或动能）。（3）体验教育方面，水果电池实验较为简单安全性高，便于开展体验教育式。通过自己动手实验（制作水果电池、简单电路连接），测量数据，通过体验让人们自己当“科学家”，进行科学探索， 自主学科学，体验科学探索的乐趣和成功的喜悦，真正理解“科学就在身边，我们都是科学家”。可以在体验中加上用水果电池点亮LED灯、带动小闹钟（自制小闹钟）等，增添了探索趣味性。研究方法：实验探究、控制变量法、多次测量求平均值正文：1 研究所需器材各种水果，大蒜，土豆， 带鳄鱼夹的导线若干，各种金属（铜、锌等），碳棒，量筒，烧杯，榨汁机，锉刀，502胶水，胶带，电流表，电压表，小灯泡，音乐卡，小闹钟，小收音机，各种儿童玩具。2 研究步骤（1）实验第一阶段：实验研究影响水果电池电压大小的因素，并总结得出最优质的水果电池。1）在两电极后端连上导线，它们相当于电源的正负极，并将导线接在电压表的正极和负极上。2）将电极插入水果中，最好在插口处填入一点去极剂（二氧化锰和炭粉各一半混合而成）可看到电压表的指针发生了偏转。记下电压表的值，换用电流表做实验，记下电流表的示数，并填写下表。3）换用不同的电极材料重复上面的实验，记下电流表和电压表的值。4）换用不同的水果，重复上面的实验，记下电流表和电压表的值。5）比较各个值，判断水果电池电压的大小与什么因素有关，从而选出最好的水果电池。（2）实验第二阶段：观察水果电池对用电器的供电情况，找出增大水果电池电压的方法。将实验得出的最优质的水果电池连接到电路上，观察用电器的工作情况，根据实验现象找到改进实验的方法。1）从上一步骤中选出较优质的水果电池进行下面的实验。2）将所选的水果电池与用电器串联，观察用电器的使用情况。3）针对实验现象提出改正实验的措施。3 数据记录及分析实验条件：在室温24下进行实验，d表示两电极片间的距离，L表示极片的宽度，h表示极片插入的深度。表1：控制d，L，h，电极片的种类，水果的成熟度、新鲜度，改变水果的种类。d=1.00cm，L=0.50cm，h=1.00cm， 电极片为铜-锌组合。实验小结： 葡萄产生的电压较大，猕猴桃和柠檬产生的电流较大。表2：控制d，L，h， d=1.00cm，L=0.50cm，h=1.00cm， 电极片为铜-锌组合。改变水果的成熟度、新鲜度以及将水果变成果汁。实验小结： 同一种成熟的水果汁液越多，产生的电压越大，产生的电流明显增大。表3：控制d，L，h， 水果：葡萄，d=1.00cm，L=1.50cm，h=2.00cm（刻度尺为最小刻度为1mm）。改变电极片的种类。实验小结：两电极的活泼性差距越大产生的电压越大。表4：控制d，h， d=1.00cm，h=2.00cm，电极片为铜-锌组合，水果：葡萄汁。改变L。实验小结： L越大，产生的电压越大，电流增大和减小都有可能发生。表5：控制d，L， d=1.00cm，L=0.40cm， 电极片为铜-锌组合， 水果：葡萄，改变h。实验小结： h越大，产生的电压越大，电流也增大。表6：控制控制L，h， L=0.50cm，h=1.00cm， 电极片为铜-锌组合，水果：葡萄，改变d。实验小结：d越小产生的电压越小，产生的电流变大。表7：控制d，L，h，葡萄汁，d=5.70cm，L=0.80cm，h=5.00cm将组合串联或者并联。实验小结：水果电池供电时，并联电压较串联小，但是并联电流电流却大得多。4 实验分析（1）水果中有机酸的含量越多则产生的电压和电流较大，而不是越酸的水果发电能力越强。关于有机酸做以下简单说明。1）在植物的各个器官中普遍存在有机酸，其中果实中主要以自由酸的形式存在，叶中主要是有机酸的盐类。2）有机酸易溶于水、醇、醚中，按照分子结构的不同可区分为甘醇酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、杏仁酸等37种。3）果蔬酸味与有机酸的浓度有必定的关系，但并不是正相关。它还取决于糖的含量（即糖酸比）、单宁物资、游离氢离子浓度、酸的品种和缓冲物资的特征。因此并不是越酸的水果有機酸的含量越高。4）果蔬中有机酸的含量除了取决于其品种，还取决于其成熟度、产地、以及气候条件等因素。根据表1结论选择未成熟的柠檬、葡萄、猕猴桃来发电。 （2）根据表2结论水果汁发酵后并不会影响其产生的电压和电流。所以选择果汁来发电。（3）根据表3结论，碳和镁组合效果较好，但是考虑实验的普遍性，选择铜片与锌片组合实验效果较好。（4）根据表4、表5结论所以根据盛装果汁容器来确定L、h，h尽可能增大，h增大产生的电压越大内阻变化较小，所以电流增大。（5）根据表6结论d越小产生的电压越小，但是内阻变小，所以产生的电流变大。水果电池的供电一般情况表明电池的内阻越小越好，但是d太小容易短路，所以选择d=0.50cm。（6）水果电池供电时，电压比较容易达到，电流较难达到，所以多采用并联连接方式。5 實验结论最佳水果电池设计见表8：6 实验讨论（1）水果电池的发电能力取决于水果中有机酸的含量，但是有机酸的含量除了取决于其品种，还取决于其成熟度、产地、以及气候条件等因素。由于实验条件只对品种和成熟度进行研究。（2）同一个水果不同部分有机酸的含量不同对发电能力的影响，以及温度对水果电池的发电能力的影响。（3）实验中未对水果的水份含量的测定、水果的有机酸定量测定以及PH值测定。实验中所用到的电极片的L、h、d只是采用刻度尺进行测量，使实验数据误差偏大。（4）实验中还发现2杯100mL葡萄汁并联后能持续供电2天，两天以后更换电极片后电压仍保持一杯U=0.960V，但是电流从I=16.00mA增大到I=20.00mA，原因是内阻变小，是什么导致内阻变小？（5）原电池中用盐桥代替导线可以使实验效果更明显，那么水果电池也可以用盐桥代替导线。（6）水果电池的电动势和内电阻的探讨。参考文献：1杨玉琴.关于“水果电池”的实验探究J.化学教学，2008（01）：17-18.2祝炎，吴先强，王程杰.水果电池实验效果影响因素分析及案例设计J.教学仪器与实验，2009（09）：13-14.3肖庆孝.文科班教学反思J.广东教育，2007（12）：135-136.4穆华荣著. 食品分析J.化学工业出版社，2009（08）.5曲祖乙著.食品分析与检验J.中国环境科学出版社，2006（08）.6郝志国.浅析创新实验题目-测水果电池”的电源电动势和内阻J.教育教学论坛，2010（25）. -全文完-