【高中组一等奖】关于水果电池的实验探究和节能猜想　　

南岸区11中  王航　　

一、问题的提出 　　

在我们这新的世纪里，能源已经成为经济发展中必不可少的条件，而电池是最为简单的的能源载体。比如航天飞机，再到普通的音乐卡都需要电池的能量来支持，但是随着人类对生活质量的要求越来越高，越简便，越无污染的环保电池便成为人们生活中不可或缺的随身物品。在人教版《普通高中课程标准实验教科书?化学2》“化学能与电能”一节中提到了一个十分有趣的实践活动叫“利用水果如苹果、柠檬或番茄等制作原电池”。那么，如何才能做成一个效果较好的水果电池呢？影响究竟有哪些呢？依据书中的理念和老师的建议指导，我们把书中的实践活动设计成了实验探究活动。用生活中的平常物品进行探究，既能引起同学们浓厚的兴趣，也能培养同学们的探究意识，也加强了知识与生活之间的联系。因此我们学习小组准备研究便捷、清洁的水果电池。采用不同种电极和不同水果,用不同浓度的水果汁组成水果电池,探索水果电池的物理化学性能如：电导率、以及产生的电压、电流值，还有它的节能效率。　　

二、理论分析并提出假设 　　

首先我们小组开了一个短会，其中我们就实验的理论进行了探讨：我们可以打个比喻，把电池负极看成农村，电池正极看成城市，电子当做农民。电池负极失去的外层电子变成了自由电子，自由电子就可以随机在电池正极——导线——电池负极这条导线上移动，就好像改革开放后，从单纯农业生产中解放出来的农民开始进城务工似的，他们就沿着公路(导线)向城市移动了。
　　其次我们小组猜想的移动结果是电池正极带上了负电，电池负极带上了正电，电池正极和电池负极之间逐渐形成了电势差，产生的电场力阻止更多自由电子的移动。就像城市里的工作机会渐渐被先来的农民占据一样，相对于后来的农民来说，找工作变得越来越难，因此要想再次进城的农民就越来越少。直到某个时刻，城里的工作岗位被完全占据，形成了一种平衡，不再有新的农民进入城市。实际上，自由电子的移动仍然是有的，电势差带来的平衡只是动态平衡。这个完全阻抑电子继续移动的电势差，就是水果电池电压的来源，得到了这样的猜想后，我们想老师征求了意见，老师同意了我们的猜想。　　

最后我们小组从老师那得知：生活中的水果含有大量糖类、蛋白质、生物酸等物质，其中的生物酸起到电解质的作用。往水果中插入不同金属电极并用导线连接起来的话，便会会有电子的转移，产生电流，形成水果电池，只是平时人们没有发现罢了。根据原电池的原理及形成条件，我们假设水果电池所产生的电流大小与水果本身即水果中所含的电解质溶液有关，与电极材料及电极之间的距离有关，那么什么样的水果电池才最为节能呢？我们通过实验来解答。 　　

三、经行实验并总结报告　　

（一）实验目的　　

1．测定生活中常用电池和水果电池的电动势E和内阻r　　

2．探究各种电池的能源利用率和对环境的污染程度　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（二）实验原理：伏安法　　

实验原理；根据闭合电路的欧姆定律E=I (R+r)　　

1.计算法　　

通过滑动变阻器改变外电路,测出两组U I 值就可求出E 和r,为减小误差,一般求多组值再求平均值.　　

2.图像法　　

测出多组U，I值(至少6组),在U－I图中描点作图，由图线纵截距和斜率找E、r　　

（三）实验器材被测电池（干电池或水果电池）；电流表；电压表；滑动变阻器；电键和导线等．　　

（四）电路图和实物图　　

1．电源内阻和电流表内阻差不多大，一般未知电流表内阻，故常选择电流表相对电源外接，　　

若已知电流表内阻，选择电流表相对电源内接。　　

2.滑动变阻器只是改变外电路，所以简单采用限流式接法。

　　　　　　　　　　　　（五）实验步骤　　

（1）确定电流表、电压表的量程，按图示电路把器材连接好；　　

（2）把变阻器的滑动片移到一端使阻值最大的一端；　　

（3）闭合电键，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组电流表和电压表的示数，用同样方法测量并记录几6组以上I、U值；　　

（4）断开电键，整理好器材；　　

（5）数据处理：用原理中方法计算或在U—I图中找出E、r．　　

（六）数据记录和处理　　

实验室电池1.5V（两节）　 　

次数 1       2       3       4       5       6　　

电压 2.35   2.80   2.70   2.60   2.50   2.40 　　

电流 0.24   0.06   0.09   0.12   0.17   0.20 　　

E=2.97V   r=3.03Ω                   　　

真霸7号电池　 　　　　　

次数 1       2      3       4      5       6　　

电压 2.60   2.40   2.00   1.80   1.00   0.80 　　

电流 0.04   0.06   0.10   0.20   0.40   0.50 　　

E=2.61V    r=4.04Ω

火车牌5号特强碱性电池　 　　　　　

次数 1       2       3       4       5       6　　

电压 3.00   2.90   2.85   2.70   2.50   2.50 　　

电流 0.06   0.06   0.09   0.20   0.40   0.50 　　

E=2.99V  r=1.43Ω     

双鹿高性能1号碳性电池　 　　　　　

次数 1       2       3       4       5       6　　

电压 3.00   2.75   2.65   2.60   2.50   2.40 　　

电流 0.06   0.08   0.10   0.18   0.24   0.50 　　

E=2.88V  r=2.45Ω                    　　

水果电池（柠檬+锌片+铜片）     　　

（七）误差分析　　

1.偶然误差：人为造成的误差。如伏特表和安培表读数不准确，做I-U图时描点不准确    　　

2.系统误差：　　

（1）电流表相对于电源外接　　

（2）电流表相对于电源内接　　

（八）注意事项　　

1.实验电路图：电流表与滑动变阻器串联后与电压表并联　　

2.开关控制整个电路　　

3.闭合开关前，滑动变阻器应滑至阻值最大的一端，且滑动变阻器应接为“一上一下”　　

4.电流表选0-0.6A，电压表选0-3V，滑动变阻器选择阻值较小但额定电流较大的。（R_变太大无法测出r）　　

5.使用内阻较大的旧干电池或水果电池，不要将I调得过大（在0.6A以下），读数要快，读完马上断电。　　

6.在画U－I图线时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧，个别离开较远的点舍去　　

7.实验时无法测出横纵截距，只能延长到与轴相交。　　

8.电池内阻r较小，U-I图斜率很小，为充分利用坐标纸减小误差，纵轴画图时可以不从O开始，此时利用图

（九）实验结论　　

很明显，一般的aaa型电池的电能利用率最低，中等的是碳性电池，最好的是由重金属和酸碱化学物质制成的电池。对比的依据是它们的电动势及内阻内阻越大，电池发热会越严重，因此散失的电能也就越多，对外输出电压也就越小。打个比方，你在外面耍手机，用着用着没电了，你说多着急，你就有钱任性，买了一块电池，结果用不了，手机开机都不行，，，，，很明显，是因为这块电池的内阻占了其电动势（假如电池上标明12V），那么它实际对你手机所提供的电动势（电压）也就只有那么一部分（压根没有12V），这就是为什么电池内阻越小越好的原因。从另一方面考虑，废电池中含有重金属和酸碱化学物质，对人体健康和生态环境具有潜在的危害，关于废电池对人体健康和生态环境的危害，目前国内比较流行的说法是：一节钮扣电池可以污染600立方米的水；即使是一个完全符合标准的低汞电池(指汞含量小于电池重量0.025％的电池)，被扔到1立方米水中，会使水的汞含量超过标准25万倍。可见，电池的好坏将不会仅仅取决于它能给你带来多大的electric energy，也取决于它对环境的污染，在这时，相比之下，水果电池的优势就会大大提高（用完还可以榨果汁……）。

由本次实验可以证明，电池的使用与处理将会决定环境的好坏，为了保护环境，人们应该妥善选择电池，尽量避免重金属及强酸碱化学电池，保护环境，人人有责。

     此论文结合当前全球新能源开发的背景，以高效、节能为原则探究水果电池的实验探究和节能猜想，既有理论分析又有真实的数据支撑，具有可操作性和利用价值。　　

  指导教师：彭椿惠　　

                                                    2015.3.1