运用手持技术探究影响原电池效率的主要因素
2014-10-21胡华国黄雪吴宣东
胡华国 黄雪 吴宣东
摘要：利用手持技术通过测定原电池电流的变化，探究盐桥、电解质溶液浓度和电极材料对原电池效率的影响。由于手持技术分析仪结合计算机绘制变化曲线，直观呈现出实验结果，从而使学生对影响原电池效率的主要因素具有直观和准确的认识。
关键词：手持技术；原电池效率；影响因素；实验探究
文章编号：1008-0546（2014）10-0079-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
手持技术，又称传感技术，是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常用数据并能与计算机连接的实验技术系统[1]。手持技术通过对实验体系中某种或某几种物理参数进行实时测量，应用于化学本质问题的研究。同时该设备具有轻巧便携、操作方便、动态实时检测等优点；既能调动学生的科研热情、通过亲自操作培养其探究精神，也可与多媒体联用使教师轻松完成演示实验[2-3]。
原电池是高中化学选修4（人教版）第四章中第一节的内容，其中“盐桥”的引入是本节的教学难点之一。在教学中教师应该注重理论分析与实验探究相结合，才能使学生更好的掌握该知识点。本研究应用手持技术探究影响原电池效率的主要因素，可以使学生在实验中获得直观、动态的数据，并通过对实验数据的分析总结轻松掌握该知识点。由于学生得到的不仅是结果，而且有过程，从而有利于提高学生的信息素养。
一、实验目的
现行新课程教材中介绍原电池相关知识时，主要侧重于讲授原电池的工作原理，强调电解质溶液导电、电子产生及其在导线中流动形成回路。学生进行动手实验时，在用相同量程的电流计探究原电池工作原理时，发现电流计指针偏转角度不一致，带着这个疑惑，我们用电流计进行多方面的测定，得出原电池在工作时产生的电流强度与电极材料的金属活泼性差距和电解质溶液浓度有关。一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大、电解质溶液溶度越大，产生的电流强度越大，反之越小。为了快速、直观地显示原电池在工作时电流强度的变化情况，我们借助手持技术有助于学生对原电池工作原理进行全面深入的理解。
二、实验仪器及试剂
三、实验内容与操作
1. 用电流传感器测量单液原电池的电流
2. 使用盐桥后，用电流传感器测量双液原电池的电流
两个烧杯分别装有1.0 mol·L-1稀硫酸和3.0 mol·L-1稀硫酸，浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉作为盐桥；用电流传感器连接锌片、铜片，采集数据，用软件分析数据并以时间为横轴，电流为纵轴作图。
3. 原电池效率影响因素——电解质溶液浓度
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）在井穴板中依次滴加4～5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、1.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）在井穴板中依次滴加4-5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、3.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
4. 原电池效率影响因素——电极材料
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统（图2）。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）井穴板中依次滴加4～5 毫升浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）井穴板中依次滴加4～5 mL浓度各为1.0 mol·L-1 MgSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的镁条、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
四、实验结果与讨论
1. 由图3所示，电流在五分钟内迅速从0.262 A衰减到0.095 A。分析原因可能有两个：一是锌片与硫酸因为直接接触发生氧化还原反应，二是锌片本身不纯；在锌片上形成了原电池导致化学能部分转化为热能，进而得出单液原电池的工作效率低。
2. 如图4可知盐桥的使用，使电流在较长的时间不发生衰减，维持在0.006A，得到持续、稳定的电流。
3. 如图5曲线说明，电流强度的大小与电解质溶液浓度大小有关，电解质浓度为1.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.006A；而电解质浓度为3.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.012A。可见，电解质溶液浓度越大，产生的电流强度越大。
4. 通过图6曲线可知：锌片为电池材料对应的电流为0.006A，镁条为电极材料对应的电流为0.020A。可见，双液原电池电流强度大小与电极材料的金属活泼性有关，一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大，产生的电流强度越大。
五、实验创新的意义
本实验借助手持技术，用电流传感器探究原电池效率的主要因素——盐桥、电解质溶液浓度和电极材料，得到比较满意的结果。同时选用井穴板作为原电池装置具有装置简单（可代替多个烧杯），浸泡饱和KCl溶液的海绵可代替制作复杂的盐桥，测量快速，节省试剂，便于操作，携带方便等优点。此次实验探究有幸获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计展评一等奖；同时探究过程应用到教学中，获得2013年安徽省高中化学优质课评比一等奖。如果我们能继续将手持技术运用于中学课堂，教师即可借助可感的实验仪器与清晰的曲线让学生理解抽象的理论知识，相信能取得较好的教学效果[4-5]。
参考文献
[1] 钱扬义.手持技术在化学学习中的应用与建模研究[M].北京：科学出版社，2009
[2] 俸皇.浅谈手持技术与化学实验[J].基础教育研究，2007，（4）37-38
[3] 王祖浩，王磊.化学课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004：212
[4] 王磊，魏锐，范林.传感技术——化学实验探究手册.北京：北京师范大学出版社，2008：61-62，64-67
[5] 钱扬义，杜永锋，李佳，等.掌上实验室（Lab in Hand）的特点及其功能[J].电化教育研究，2003，（10）59-62endprint
摘要：利用手持技术通过测定原电池电流的变化，探究盐桥、电解质溶液浓度和电极材料对原电池效率的影响。由于手持技术分析仪结合计算机绘制变化曲线，直观呈现出实验结果，从而使学生对影响原电池效率的主要因素具有直观和准确的认识。
关键词：手持技术；原电池效率；影响因素；实验探究
文章编号：1008-0546（2014）10-0079-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
手持技术，又称传感技术，是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常用数据并能与计算机连接的实验技术系统[1]。手持技术通过对实验体系中某种或某几种物理参数进行实时测量，应用于化学本质问题的研究。同时该设备具有轻巧便携、操作方便、动态实时检测等优点；既能调动学生的科研热情、通过亲自操作培养其探究精神，也可与多媒体联用使教师轻松完成演示实验[2-3]。
原电池是高中化学选修4（人教版）第四章中第一节的内容，其中“盐桥”的引入是本节的教学难点之一。在教学中教师应该注重理论分析与实验探究相结合，才能使学生更好的掌握该知识点。本研究应用手持技术探究影响原电池效率的主要因素，可以使学生在实验中获得直观、动态的数据，并通过对实验数据的分析总结轻松掌握该知识点。由于学生得到的不仅是结果，而且有过程，从而有利于提高学生的信息素养。
一、实验目的
现行新课程教材中介绍原电池相关知识时，主要侧重于讲授原电池的工作原理，强调电解质溶液导电、电子产生及其在导线中流动形成回路。学生进行动手实验时，在用相同量程的电流计探究原电池工作原理时，发现电流计指针偏转角度不一致，带着这个疑惑，我们用电流计进行多方面的测定，得出原电池在工作时产生的电流强度与电极材料的金属活泼性差距和电解质溶液浓度有关。一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大、电解质溶液溶度越大，产生的电流强度越大，反之越小。为了快速、直观地显示原电池在工作时电流强度的变化情况，我们借助手持技术有助于学生对原电池工作原理进行全面深入的理解。
二、实验仪器及试剂
三、实验内容与操作
1. 用电流传感器测量单液原电池的电流
2. 使用盐桥后，用电流传感器测量双液原电池的电流
两个烧杯分别装有1.0 mol·L-1稀硫酸和3.0 mol·L-1稀硫酸，浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉作为盐桥；用电流传感器连接锌片、铜片，采集数据，用软件分析数据并以时间为横轴，电流为纵轴作图。
3. 原电池效率影响因素——电解质溶液浓度
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）在井穴板中依次滴加4～5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、1.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）在井穴板中依次滴加4-5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、3.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
4. 原电池效率影响因素——电极材料
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统（图2）。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）井穴板中依次滴加4～5 毫升浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）井穴板中依次滴加4～5 mL浓度各为1.0 mol·L-1 MgSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的镁条、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
四、实验结果与讨论
1. 由图3所示，电流在五分钟内迅速从0.262 A衰减到0.095 A。分析原因可能有两个：一是锌片与硫酸因为直接接触发生氧化还原反应，二是锌片本身不纯；在锌片上形成了原电池导致化学能部分转化为热能，进而得出单液原电池的工作效率低。
2. 如图4可知盐桥的使用，使电流在较长的时间不发生衰减，维持在0.006A，得到持续、稳定的电流。
3. 如图5曲线说明，电流强度的大小与电解质溶液浓度大小有关，电解质浓度为1.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.006A；而电解质浓度为3.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.012A。可见，电解质溶液浓度越大，产生的电流强度越大。
4. 通过图6曲线可知：锌片为电池材料对应的电流为0.006A，镁条为电极材料对应的电流为0.020A。可见，双液原电池电流强度大小与电极材料的金属活泼性有关，一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大，产生的电流强度越大。
五、实验创新的意义
本实验借助手持技术，用电流传感器探究原电池效率的主要因素——盐桥、电解质溶液浓度和电极材料，得到比较满意的结果。同时选用井穴板作为原电池装置具有装置简单（可代替多个烧杯），浸泡饱和KCl溶液的海绵可代替制作复杂的盐桥，测量快速，节省试剂，便于操作，携带方便等优点。此次实验探究有幸获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计展评一等奖；同时探究过程应用到教学中，获得2013年安徽省高中化学优质课评比一等奖。如果我们能继续将手持技术运用于中学课堂，教师即可借助可感的实验仪器与清晰的曲线让学生理解抽象的理论知识，相信能取得较好的教学效果[4-5]。
参考文献
[1] 钱扬义.手持技术在化学学习中的应用与建模研究[M].北京：科学出版社，2009
[2] 俸皇.浅谈手持技术与化学实验[J].基础教育研究，2007，（4）37-38
[3] 王祖浩，王磊.化学课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004：212
[4] 王磊，魏锐，范林.传感技术——化学实验探究手册.北京：北京师范大学出版社，2008：61-62，64-67
[5] 钱扬义，杜永锋，李佳，等.掌上实验室（Lab in Hand）的特点及其功能[J].电化教育研究，2003，（10）59-62endprint
摘要：利用手持技术通过测定原电池电流的变化，探究盐桥、电解质溶液浓度和电极材料对原电池效率的影响。由于手持技术分析仪结合计算机绘制变化曲线，直观呈现出实验结果，从而使学生对影响原电池效率的主要因素具有直观和准确的认识。
关键词：手持技术；原电池效率；影响因素；实验探究
文章编号：1008-0546（2014）10-0079-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
手持技术，又称传感技术，是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常用数据并能与计算机连接的实验技术系统[1]。手持技术通过对实验体系中某种或某几种物理参数进行实时测量，应用于化学本质问题的研究。同时该设备具有轻巧便携、操作方便、动态实时检测等优点；既能调动学生的科研热情、通过亲自操作培养其探究精神，也可与多媒体联用使教师轻松完成演示实验[2-3]。
原电池是高中化学选修4（人教版）第四章中第一节的内容，其中“盐桥”的引入是本节的教学难点之一。在教学中教师应该注重理论分析与实验探究相结合，才能使学生更好的掌握该知识点。本研究应用手持技术探究影响原电池效率的主要因素，可以使学生在实验中获得直观、动态的数据，并通过对实验数据的分析总结轻松掌握该知识点。由于学生得到的不仅是结果，而且有过程，从而有利于提高学生的信息素养。
一、实验目的
现行新课程教材中介绍原电池相关知识时，主要侧重于讲授原电池的工作原理，强调电解质溶液导电、电子产生及其在导线中流动形成回路。学生进行动手实验时，在用相同量程的电流计探究原电池工作原理时，发现电流计指针偏转角度不一致，带着这个疑惑，我们用电流计进行多方面的测定，得出原电池在工作时产生的电流强度与电极材料的金属活泼性差距和电解质溶液浓度有关。一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大、电解质溶液溶度越大，产生的电流强度越大，反之越小。为了快速、直观地显示原电池在工作时电流强度的变化情况，我们借助手持技术有助于学生对原电池工作原理进行全面深入的理解。
二、实验仪器及试剂
三、实验内容与操作
1. 用电流传感器测量单液原电池的电流
2. 使用盐桥后，用电流传感器测量双液原电池的电流
两个烧杯分别装有1.0 mol·L-1稀硫酸和3.0 mol·L-1稀硫酸，浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉作为盐桥；用电流传感器连接锌片、铜片，采集数据，用软件分析数据并以时间为横轴，电流为纵轴作图。
3. 原电池效率影响因素——电解质溶液浓度
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）在井穴板中依次滴加4～5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、1.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）在井穴板中依次滴加4-5mL浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4、3.0 mol·L-1 H2SO4，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
4. 原电池效率影响因素——电极材料
（1）连接实验装置、数据采集器及电流传感器，打开计算机，进入实验软件系统（图2）。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示电流值。
（2）井穴板中依次滴加4～5 毫升浓度各为1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的锌片、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
（3）井穴板中依次滴加4～5 mL浓度各为1.0 mol·L-1 MgSO4溶液、1.0 mol·L-1 H2SO4溶液，在依次插入事先用砂纸擦净并用水冲洗、擦干的镁条、铜片（5mm×20mm），最后用浸泡饱和KCl溶液的脱脂棉连接两种溶液。
四、实验结果与讨论
1. 由图3所示，电流在五分钟内迅速从0.262 A衰减到0.095 A。分析原因可能有两个：一是锌片与硫酸因为直接接触发生氧化还原反应，二是锌片本身不纯；在锌片上形成了原电池导致化学能部分转化为热能，进而得出单液原电池的工作效率低。
2. 如图4可知盐桥的使用，使电流在较长的时间不发生衰减，维持在0.006A，得到持续、稳定的电流。
3. 如图5曲线说明，电流强度的大小与电解质溶液浓度大小有关，电解质浓度为1.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.006A；而电解质浓度为3.0 mol·L-1 H2SO4对应的电流值为0.012A。可见，电解质溶液浓度越大，产生的电流强度越大。
4. 通过图6曲线可知：锌片为电池材料对应的电流为0.006A，镁条为电极材料对应的电流为0.020A。可见，双液原电池电流强度大小与电极材料的金属活泼性有关，一般来说，电池材料的金属活泼性差距越大，产生的电流强度越大。
五、实验创新的意义
本实验借助手持技术，用电流传感器探究原电池效率的主要因素——盐桥、电解质溶液浓度和电极材料，得到比较满意的结果。同时选用井穴板作为原电池装置具有装置简单（可代替多个烧杯），浸泡饱和KCl溶液的海绵可代替制作复杂的盐桥，测量快速，节省试剂，便于操作，携带方便等优点。此次实验探究有幸获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计展评一等奖；同时探究过程应用到教学中，获得2013年安徽省高中化学优质课评比一等奖。如果我们能继续将手持技术运用于中学课堂，教师即可借助可感的实验仪器与清晰的曲线让学生理解抽象的理论知识，相信能取得较好的教学效果[4-5]。
参考文献
[1] 钱扬义.手持技术在化学学习中的应用与建模研究[M].北京：科学出版社，2009
[2] 俸皇.浅谈手持技术与化学实验[J].基础教育研究，2007，（4）37-38
[3] 王祖浩，王磊.化学课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004：212
[4] 王磊，魏锐，范林.传感技术——化学实验探究手册.北京：北京师范大学出版社，2008：61-62，64-67
[5] 钱扬义，杜永锋，李佳，等.掌上实验室（Lab in Hand）的特点及其功能[J].电化教育研究，2003，（10）59-62endprint
