果汁電池實(shí)驗(yàn)再探討

1、果汁電池實(shí)驗(yàn)再探討 2012年重慶高考理綜卷第22題的第（2）小題是考查果汁電池的電動勢和內(nèi)電阻的測定，綜合考查了閉合電路歐姆定律、電路連接、輸出功率等物理知識及讀圖能力，是一道綜合性較強(qiáng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題.試題的設(shè)計(jì)以重慶特產(chǎn)柑橘為背景，新穎而不失親切，是一道區(qū)分度較好的試題. 以水果電池為背景的電學(xué)實(shí)驗(yàn)以其內(nèi)阻較大，易測量而被大家青睞.針對重慶題，我覺得有幾個疑點(diǎn)，值得與同行商榷.1 原題展示 某中學(xué)生課外科技活動小組利用銅片、鋅片和家鄉(xiāng)盛產(chǎn)的柑橘制作了果汁電池，他們測量這種電池的電動勢e和內(nèi)阻r，并探究電極間距對e和r的影響.實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示. 測量e和r的實(shí)驗(yàn)方案為：調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變電

2、源兩端的電壓u和流過電源的電流i，依據(jù)公式，利用測量數(shù)據(jù)作出u-i圖象，得出e和r. 將電壓表視為理想表，要求避免電流表分壓作用對測量結(jié)果的影響，請?jiān)趫D1中用筆畫線代替導(dǎo)線連接電路. 實(shí)驗(yàn)中依次減小銅片與鋅片的間距，分別得到相應(yīng)果汁電池的u-i圖象如圖2中（a）、（b）、（c）、（d）所示，由此可知： 在該實(shí)驗(yàn)中，隨電極間距的減小，電源電動勢 （填“增大”、“減小”或“不變”），電源內(nèi)阻 （填“增大”、“減小”或“不變”）. 曲線（c）對應(yīng)的電源電動勢e=mw.（均保留三位有效數(shù)字） 解析 由閉合電路的歐姆定律 該實(shí)驗(yàn)要求路端電壓測量準(zhǔn)確，故電壓表應(yīng)直接接在電源的兩端，滑動變阻器只需能改變路端

3、電壓的值即可，故采用限流式接法.連線如圖3所示. 根據(jù)圖象，電流為零時路端電壓等于電動勢，四條圖線對應(yīng)值均相同，可知電動勢不變.四條圖線中（d）短路電流最小，故內(nèi)阻最大，即隨著電極間距減小，則電阻增大； 圖線（c）對應(yīng)電動勢從圖線中直接讀出，為0.975 v. 當(dāng)電流為0.8 ma時，路端電壓為0.592 v，由u=e-ir計(jì)算得：r478 ； 當(dāng)外電路為2500 ，則路端電壓為 輸出功率p=u2r=0.81922500=0.268 mw.2 質(zhì)疑及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行性分析 質(zhì)疑一：電壓表量程選擇是（03 v檔）嗎？ 質(zhì)疑二：電壓表能視為理想電表嗎？ 質(zhì)疑三：果汁電池的內(nèi)阻會隨著電極距離的減小而

4、增大嗎？ 帶著疑慮，筆者對果汁電池的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步探討，考慮學(xué)生常用的實(shí)驗(yàn)器材以及相關(guān)原理，設(shè)計(jì)了如下三種實(shí)驗(yàn)方案（表1）. 三種方案的可行性分析如下： （1）銅鋅電池，一般電動勢只有1 v左右.電壓表的選擇，實(shí)驗(yàn)室里常備的學(xué)生用電壓表量程可選（03 v），或多用電表的（02.5 v檔）.預(yù)測所有電壓測量值均在1 v以下，因此所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在量程的一半或三分之一以下，從精度來考慮不太適宜. （2）由于果汁電池內(nèi)阻較大，因此要讓電壓表示數(shù)有較明顯的變化，可采用最大值為2.5 k的滑動變阻器或用電阻箱（09999.9 ）代替.由于電壓表（03 v檔）的內(nèi)阻為3 k.因此，如采用伏安法測量，電流的

5、測量誤差很大（電壓表的分流不可忽略，不可視為理想電表）；如采用伏阻法測量，則外電路的電阻為電阻箱與電壓表的并聯(lián)電阻，由于電阻箱的實(shí)際電阻接近電壓表電阻，電壓表亦不可視為理想電表. 綜上，我認(rèn)為，伏安法和伏阻法更適合于內(nèi)阻較小的電源（如干電池）的電動勢和內(nèi)電阻測定.對于內(nèi)阻較大的水果電池或果汁電池，則采用安阻法進(jìn)行測量電池的電動勢和內(nèi)電阻較為適宜.3 用安阻法測量果汁電池的電動勢和內(nèi)電阻3.1 器材準(zhǔn)備 a.玻璃器皿一個； b.果汁一瓶（鮮橙多）； c.泡沫塑料一條（上面預(yù)刻六條狹縫用于調(diào)節(jié)和固定銅片和鋅片）； d.銅鋅各一片（表面作拋光處理）； e.電阻箱一只； f.電流計(jì)一只（量程為300

6、a，內(nèi)阻為100 ）； g.導(dǎo)線若干.3.2 實(shí)驗(yàn)主要步驟 （1）把銅片和鋅片固定在泡沫條的狹縫處，測量出兩電極間的寬度； （2）如圖連接電路，把電阻箱阻值預(yù)置為9 k； （3）接通電路，讀出電流值，此后每改變1 k阻值，讀出電流值并記錄； （4）改變兩銅片析和鋅片間的距離，再按步驟3進(jìn)行操作.3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2） 圖中（a）、（b）分別為間距是10.20 cm及4.95 cm時的圖線（由于對比組間的數(shù)據(jù)較密另兩組未在圖中標(biāo)出）.3.5 數(shù)據(jù)分析 結(jié)論一 從圖中看出兩條圖線平行性非常好.圖線的斜率表示果汁電池的電動勢.根據(jù)圖象，可以求得該果汁電池的電動勢為 即盡管銅片和鋅片間距變，電動勢不變.這與電源的電動勢由金屬的極性決定是相符的. 結(jié)論二 從圖4都可直接讀出ra1.4 k、rb1.0 k，隨著銅片和鋅片間距的減小，電源的內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)減小.這與運(yùn)用電阻定律定性分析也是相符的.可見，原題中出現(xiàn)的兩極間距減小，內(nèi)阻反而