铜锌原电池-创新性实验教具设计与改进

铜锌原电池——创新性实验教具设计与改进一、设计思路来源此教具是用于演示化学能转化为电能的原电池教具。在平时常规教学实验中，采用传统铜锌原电池教具，详见人教版化学必修第二册第36页：图1

教材中原电池装置该实验装置只能从灵敏电流计表中定性的观察到指针偏转，无法定量采集数据。在实验过程中，电流强度过小，实验限制条件较多，很难让学生从客观上去体验。因此，在原教材上铜锌原电池装置的基础上，设计了可以定量采集数据的新型原电池实验教具（如图2）。图2

自制铜锌原电池实验教具二、设计思路生活中的常规能量转为，化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能，能量转化率低，转化过程中损耗多，故将化学能直接转化为电能的原电池装置应运而生。将铜片和锌片插入稀硫酸时，连接装置形成铜锌原电池，锌片失去电子，电子定向移动，形成电流，但是强度过小，不利于实验观察。因此，在这个自制铜锌原电池教具设计过程中，不仅能具体采集实验过程中的具体数据，还能实现改变原电池正负极间距大小和电极材料参与反应的接触面积大小这两个因素，将实验数据通过ESP32蓝牙传输至手机端，使用phyphox精密地绘制出随着原电池正负极间距大小，电极材料参与反应的接触面积大小的实验数据图像，如图3，图4所示：图3

原电池正负极间距图

图4参与反应的接触面积在铜锌原电池装置体系中，其他实验条件确定时，原电池的正负极间距增大，电解质溶液中的内阻增大，电流强度减小；其他实验条件确定时，电极材料参与反应的接触面积增大，参与反应的电极材料增多，电流强大增大。三、困难与不足之处在确定自制教具的实验装置时，原本以为该实验原理简单，操作起来也会比较顺利，实际操作过程中遇到了不少问题：（1）在设计中间可移动的亚克力板时，需要在原电池反应槽中设计3条轨道，轨道的空隙间距和可移动的亚克力板凸起部分的经过多次调整，已便在电机转动过程中不会卡住。（2）原本丝杆电极的转数为30，在实验过程移动速度过慢，故更换转数为200的丝杆电极，实验数据更加完整清晰。（3）电极材料的选择，理论上在铜锌原电池反应过程中，铜极表面上有大量气泡产生，锌极表面逐渐溶解，没有气泡，实际操作过发现由于锌极纯度不够，有杂质存在，表面也有气泡产生，而气泡的产生，也会影响两电极之间的电势差，影响实验数据。（4）电解质溶液稀硫酸浓度不易过大，因为实验过程中两电极之间间距调整数据有限，若浓度过大，数据改变不过明显，能否找到一个更加理想方便的电解质溶液替换，需要后续去不断验证探索。四、创新性随着科学技术的发展，化学教材中的很多定性实验可以采取更加先进的仪器设备进行定量测量，获得实时的数据并绘制相应的图像。智能手机的广泛使用，逐渐取代了必须在电脑中绘制图像的限制，比如智能手机中的免费phyphox软件，通过页面编程即时显示有关实验数据，同时建立坐标系，能够直观对比实验数据，操作简单，可测量物理量全面，并且能够配合投屏软件，可以实时将手机屏幕显示在多媒体电脑上，实现数据展示。本实验过程中，采用的是ESP32开发板，可以通过蓝牙进行数据采集和发送，老师只需在手机上下载phyphox软件即可获得实时的数据以及图像，实验过程的数据变化可以实时在跟踪