基于数字化实验的Zn-Cu原电池深度学习

丁娟娟 朱毓卿

摘要：利用数字化实验研究了锌铜单液原电池的电流强度与稳定性并利用温度传感器测定温度变化来解释电流衰减的原因。对传统的双液原电池进行创新改进，设计出试剂用量少、电流强度大、稳定性高、易便携的微型双液电池、微型膜电池，并将创新设计的微型原电池应用于小风扇可使其工作40 min，应用于电子表工作约72 h，还可使小车跑起来。

关键词：数字化实验；锌铜原电池；膜电池；微型双液电池

文章编号：1008-0546（2022）12x-0081-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.020

一、研究背景

能源问题是当今世界的热点问题，如何开发研究具有高性能、稳定的电池成为了解决能源问题的一个重要研究方向。中学生是一个国家的未来和希望，因此，在日常教学中注重培养中学生创新能力尤为重要。原电池在中学化学的学习中占据着重要的地位已有许多相关研究。[1-4]本研究以如何获得高效便携Zn-Cu原电池为探究目的，采用数字化传感器引导学生对锌一铜单液原电池进行改进。

二、实验用品

1．实验药品

0.5 mol/L CuS04．0.5 mol/L ZnS04，饱和KCl溶液，Cu片（3.5cmx6cm），Zn片（3.5cmx6cm），KCl鹽桥。

2．实验用品

数据采集器、电脑、电流传感器、温度传感器（见图1），离子交换膜，KCl盐桥，烧杯，导线，小风扇，纯棉湿巾，电子表，小车。

三、研究性教学流程

环节-：Zn-Cu单液原电池的电流强度与稳定性探究。

任务1：组装Zn-Cu单液原电池并用电流传感器和温度传感器测定电池放电10 min电流以及温度变化。

学生活动：组装Zn-Cu单液原电池装置并测出放电10 min电流从0.19A衰减至0.13A，温度从22.3上升至23.1℃，变化如图2左侧所示。

设计意图：让同学们掌握构成原电池装置的一般要素，通过数据感知单液原电池强度大但不稳定易衰减，能量损耗大。

任务2：分析Zn-Cu单液原电池电流衰减原因。

学生活动：观察Zn电极放电10 min后表面覆盖了红黑色固体如图2右侧所示。猜想Zn与CuSO4电解液直接发生了置换反应。

设计意图：引导学生分析出单液原电池因负极Zn片直接与CuSO4电解液反应导致能量衰减，且锌片表面覆盖铜影响电子的转移，因此电流不稳定。

环节二：Zn-Cu原电池改进之-：KCl盐桥双液原电池。

任务3：利用KCl盐桥组装KCl盐桥双液原电池。

学生活动：组装盐桥双液原电池。

设计意图：在分析单液原电池缺陷的基础上引导学生改进，巩固对于构成原电池装置的一般要素知识的掌握。

任务4：利用电流传感器与温度传感器测定KCl盐桥双液原电池放电10 min电流与温度变化，对比单液和双液原电池优缺点。

学生活动：测定放电10 min电流与温度变化如图3所示，电流强度仅为0.05A约为单液电池20%，放电10 min电流无衰减且温度维持29C几乎无变化。总结得出盐桥双液原电池电流更稳定，能量损耗低但电流强度小。

设计意图：引导学生通过动手实验进行比较。培养学生严谨的科学态度。

任务5：如何提高KCl盐桥双液原电池的电流强度。

学生活动：学生结合物理知识解释，盐桥长度大横截面积小电阻大，因此电流小。提出可以通过缩短盐桥距离，增大盐桥横截面积来减小电阻。

设计意图：引导同学们发现问题，通过学科融合解决问题。

环节三：Zn-Cu原电池改进之二：微型双液原电池。

任务6：如何设计出溶液用量少易便携的微型双液原电池？

学生活动：查阅资料从伏打电池得到启发，用绵柔巾浸取CuSO4与ZnSO4溶液将Zn、Cu包裹，用浸取KCl溶液绵柔巾作盐桥如图4所示。

设计意图：鼓励学生创新、培养学生动手能力。

任务7：测定微型盐桥双液原电池放电10 min电流变化。

学生活动：测定电流变化如图4所示，电流强度约为0.16A放电10 min无衰减。学生发现微型双液原电池不仅试剂用量少，电流强度大且稳定。

设计意图：通过数据对比感知微型双液原电池优点，体会创新的成就感，为学生埋下创新的种子。

环节四：Zn-Cu原电池改进之三：微型膜双液原电池。

任务8：溶液用量少、便携的微型双液原电池的再创新。

学生活动：学生查阅文献从热点的膜电池中得到启发，提出方案利用膜代替盐桥，设计出微型膜双液原电池如图5所示。

设计意图：引导学生关注科技前沿，培养学生勇于挑战，勇于创新的精神。

任务9：测定微型膜双液膜电池放电10 min电流变化。

学生活动：测定放电10 min电流变化如图5所示，电流强度为0.16A放电10 min电流无衰减，总结得出微型双液膜电池所用试剂少电流强度大且稳定。

设计意图：鼓励学生创新，培养学生的合作意识。

环节五：微型膜双液原电池的创新应用。

任务10：将试剂用量少、便携的电流强度大且稳定的微型膜双液原电池应用于用电器。

学生活动：微型膜双液原电池应用于小风扇转动的速度和两节5号电池的速度几乎一样，该小风扇可持续转动时间为40min。微型膜双液原电池应用于电子表装置可以持续工作72小时，还可以应用于小车，如图6所示。

设计意图：将理论应用于实践，培养学生良好的社会责任感。

四、总结与展望

本文利用数字化实验，将化学实验的微观变化以图像和数字的形式表现，实现了实验的精准化和可视化。通过任务驱动引导学生对电池进行逐步改进，培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。引导学生将设计的微型原电池应用于小风扇、电子表和小车，增强了学习化学的趣味性，激发了学生的学习兴趣和深入探究的欲望。培养了学生们，利用所学知识解决实际问题的能力。让理论知识应用于实践，彰显化学知识服务社会的科学精神。

参考文献

[1]马翠翠．手持技术数字化实验探究夹心式膜电池的创新改进[J]．化学教育（中英文），2020，41（7）64-70.

[2] 杜爱萍．双液原电池盐桥的实验改进[J]．化学教与学，2019（11）：80-82

[3] 刘玲．基于滤纸的多电极原电池实验设计[J]．化学教学，2016（9）：49-50.

[4]盛晓婧．利用数字化手持技术探究原电池电流和温度的变化[J]．化学教育．2016，37（5）：61-65．