1、2016/1/21 V160621利用 Cu-Zn 原电池给手机充电的实验探究浙江省杭州二中 史宗翔内容摘要：高中化学选修 4化学反应原理中对原电池盐桥部分的实验和介绍枯燥无味，理论味道过浓，造成学生很难理解，笔者基于新课程的理念，结合具体的“能否利用 Cu-Zn 原电池给手机充电”的课例阐释了如何利用数字化实验传感器，创设探究情景进行教学。关键词：数字化实验 情境 创新 一、背景分析高中化学选修 4化学反应原理中对原电池盐桥部分的实验和介绍枯燥无味，理论味道过浓，造成学生很难理解，因此很多电化学的知识学生只能靠记忆去掌握，学生对化学的兴趣在这种学习方式中慢慢变弱和消失，如果能注重学生感兴趣
2、的材料进行情景设计，充分挖掘实验现象进行教学设计，借助数字化实验设备感性的展示，让教学难点在学生探究的过程中加以分散和化解，不仅可以让知识变得有趣实用，也慢慢地增强了学生对学科的兴趣感同时也培养了思维的创新性和发散性。二、探索与尝试实验教学是化学课程最显著的特征之一，盐桥电池的大多实验角度方式陈旧老套新颖度不够，使用的电流计也仅仅从偏转的现象加以利用和解释，在教学实施过程中略显深广度不足，对此，笔者敏锐地对一些现象再处理，挖掘数字化实验实验设备的功能，通过一定的情景设计教学，收到了不错的效果。1.创设探究情景为手机充电普通高中化学新课程强调，要从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，积极
3、创设化学情境，帮助学生认识化学与人类生活的关系，关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感和参与意识，促进学习方式的多样化，发展高中学生自主获取知识的愿望和能力。创设一个合适的教学情境，是探究的关键。铜锌原电池在化学 2中就已提出，学生通过化学 2中的学生对铜锌硫酸作为电解质的原电池模型有了一定的了解和认识，知道了构成原电池的条件，也看过比如该原电池能使电流表指针发生偏转，能使发光二极管亮起来，但具体到能产生多大的电流，多大的电压，能不能稳定的发电等没有感性认识，如果仅仅是让知识停留在定性分析的层面会使知识停留在低位少了实用性的活力，而这些问题的本身就是学生感兴趣的点，如能找到载
4、体加以利用就能激发起学生探究的兴趣。笔者就抓住这点，创设情境“此原电池能为手机充电吗？要不一起尝试一下！”给手机充电不是有电就行的，需要一定的电压，稳定的电流，手机又是人人都有的，这个情景的创设这一下就引起了学生的共鸣，激发了学生探究的兴趣。当然事前先做好准备工作，如先把的手机充电用的 USB 接线进行改进（分出两根正负极导线） ，使这个情景不停留在想法和口号，而是可以实实在在可以动手操作体验的一个实验小课题。2.充分利用数字化实验现象有了探究的课题如何展开探究的过程又是探究教学中的难点，如果仅仅是为了引题而创设情境，那么探究教学就失去了其本身的意义。探究的过程就如同电影大片中一个个扣人心弦的
5、环节，要紧张激烈跌宕起伏，对于化学课来说能起到这样效果的唯有实验，当然实验的切入点对学生来说应该是全新的，充满了很多“神奇”或“迷惑” ，知识的认知上离“V 杯赛参赛作品”2016/1/21 V160622学生已有能力相差不远，教学中就应该细心地寻找这些实验，通过一连串环环相扣的数字化实验展开探究的过程，不停地刺激学生的大脑，去寻找解决问题的方法和体会探究的乐趣。Cu-Zn 原电池中就有很多可以挖掘的数字化实验，笔者结合课例简单地谈谈如何利用数字化实验为教学架起探究的桥梁。2.1 利用电流传感器体会单液原电池 ZnH 2SO4Cu 电流迅速减弱实验 1 ：将锌片与铜片用导线连接起来，导线中间
6、连接数字化实验设备的电流传感器，再将锌片与铜片插入稀硫酸（1mol/L）的烧杯中，观察实验现象。实验中我们发现传感器的读数从 280mA 迅速减小 10 秒钟左右减到 40mA 左右，并还在持续减小。设计实验意图：单液原电池 ZnH 2SO4Cu 在化学 2中已进行了学习，学生对其构成，正负极分析，电子运动情况和溶液中离子运动情况都有了一定的了解，并能简单的分析两极可能出现的实验现象。用此电池给手机充电对于学生来说是有可能的，但此实验中电流会迅速减弱即会引起极化现象对学生又是未知的，如能分析清楚主要成因那就会为课题的再进行指明了方向和提供可能。教学过程设计：【师】为什么会这样？电子从负极流出经
7、导线流入正极，在正极表面交给 H+，电流迅速的减弱了，也就是说电子在流动过程中迅速地受阻了，谁阻碍了电子的流动?【生】铜片表面吸附的氢气。【师】原来没有气泡之前 H+得电子很方便，一旦氢气小气泡吸附在 Cu 片表面，就阻碍了铜片上的电子与溶液中的 H+接触，原电池的放电效果变差了，我们把这种现象称之为极化现象。【师】使电流强度迅速变弱的主要原因就是使用硫酸这种电解质会和锌反应会产生气体，怎么改进一下？【生】使用硫酸铜！【师】再试试看！2.2 利用电流传感器体会单液原电池 ZnCuSO 4Cu 电流逐渐减弱实验 2 ：将锌片与铜片用导线连接起来，导线中间连接电流传感器，再将锌片与铜片插入稀硫酸（
8、1mol/L）的烧杯中，观察实验现象。实验中我们发现电流表的读数从 80mA 左右逐渐减小 10 秒钟左右减到 60mA 左右，并也在持续减小，只是没刚才硫酸实验中变化的快。设计实验意图：单液原电池 ZnCuSO 4Cu 是学生在分析了上面实验电流迅速减弱的原因后自发提出的改进意见，是学生自主活动的结果，学生对这个实验充满了期待。而实验结果电流还是会逐渐减弱又会引起学生的思考，如果能分析清楚主要原因-化学腐蚀在同时进行就能顺理成章地引入盐桥电池再次为课题的深入指明方向。教学过程设计：【师】减小的没那么迅速，但还是逐渐减弱。这次又是什么原因？【生】讨论后：锌和硫酸铜直接接触也会发生了化学腐蚀。【
9、师】锌置换出了铜，析出的铜又和锌构成原电池，Zn 失去的电子一部分直接给了溶液中的 Cu2+，这样的小的原电池越来越多，流向铜片的电子越来越少，电流就缓慢的减弱了，如果析出的 Cu 最终覆盖了 Zn，又会怎样？如果我们这个解释正确，化学能没有全部转化为电能，还转化成那种形式的能？【生】热能。2.3 利用温度传感器测量单液原电池 ZnCuSO 4Cu 中溶液温度实验 3 ：用温度传感器的探针测量单液原电池 ZnCuSO 4Cu 中溶液温度为 14（室内温度为 17） ，当探针靠近负极 Zn 片时温度逐渐升高，碰到 Zn 片后显示为 22。2016/1/21 V160623设计实验意图：验证学生
10、的猜想，让学生体会到探究的乐趣，通过实验事实的证明了单液电池的局限性，然而引入盐桥的概念。教学过程设计：【师】一锌多用，化学能有一部分转化为了热能。【师】问题的产生不就是由于锌片和硫酸铜溶液直接接触了，分开不就可以了嘛！如何分开？【生】把锌片单独的放到一个烧杯中，在另一个烧杯中盛硫酸铜溶液，铜片插到其中。【师】锌片应该插到哪种溶液中呢？，该溶液能和它反应吗？【生】比如硫酸锌溶液【师】连上外电路，该电池能工作了吗？【生】没有形成闭合的回路，溶液中离子无法定向移动。【师】溶液分开了，溶液中离子不能定向移动，还必须在中间搭一座桥，联通两边的溶液。这边是-盐桥。【知识介绍】展示化学反应原理中有关盐桥的
11、介绍盐桥中通常装有饱和 KCl 溶液，离子在盐桥中能移动，在反应中，盐桥中的 Cl-移向 ZnSO4溶液，K +移向 CuSO4溶液，使两电解质溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行。【师】有了盐桥锌片终于能一锌一意发电了，再试试看。2.4 利用电流传感器体会双液原电池 ZnZnSO 4|CuSO4|Cu 电流稳定，但强度很小实验 4 ：将锌片插入硫酸锌溶液，铜片插入硫酸铜溶液，两烧杯间用盐桥连接，用导线连接电极，导线中间连电流传感器，实验中我们发现电流传感器的读数稳定在 6mA 左右。设计实验意图：此实验是学生对单液电池缺点的理解上对装置进行改造后构建出来的，充分地体现了学生创作性思维。
12、同时对实验中电流变小的现象，笔者引入了离子和电子运动速率的数量级，从定量角度进行分析，为学生带去足够的思考空间，培养学生的发散性思维，是这个课创新之举。教学过程设计：【师】电流是很稳定，但强度减少了那么多，又会是什么新的原因呢？ 【知识介绍】在电场中，离子迁移速率的数量级一般仅为 10-5 ms-1；导线中电子的运动速率的数量级为 105 ms-1。【生 1】有了盐桥溶液中离子的移动距离变长了。【生 2】U 形管交细，盐桥中能移动的离子数目变小了。【师】如何改进盐桥让电流强度变大？【生 1】用更粗更短的 U 形管【生 2】增加盐桥个数 【生 3】增加盐桥中 KCl 溶液的浓度2.5 增加双液原
13、电池 ZnZnSO 4|CuSO4|Cu 的盐桥个数，电流强度增加实验 5 ：将盐桥增加一根，我们发现电流传感器的读数稳定在 11mA 左右，增加两根，读数稳定在 15mA 左右。设计实验意图：用实验来验证学生的猜想，巩固所学的新知识2.6 学生探究实验 1实验 6 ：（1） 实验用品：硫酸锌溶液(取 40mL) 、硫酸铜溶液(取 40mL) 、热的硫酸铜溶液(同浓度) 、硫酸铜晶体、铜片、锌片、万用表、药匙、烧杯（50mL） 、盐桥、玻璃棒。2016/1/21 V160624（2）两位同学一组，合作探究（3）及时记录数据（4）万用表介绍设计实验意图：有了稳定的电流，但强度变小，为实现给手机
14、充电变成可能就需要增大电流强度，笔者从结合化学反应速率，从影响反应速率因素的角度探究增加电流强度的方法，这又是探究中的创新之举。教学过程设计：【师】盐桥的使用稳定了电流但也减小了电流强度，能不能想想其他办法再让电流强度增大点？锌和硫酸铜不就是一个化学反应嘛，单位时间内反应快些，得失电子还可以多些，电流强度不就增加了，那那些因素会影响反应速率？【生】反应物接触面积、反应物浓度、温度、催化剂等。【师】在这个实验中最方便我们探究的因素是哪些？【生】反应物接触面积、反应物浓度、温度。【师】我们就先从这三个角度探究还能增大盐桥电池电流强度的条件【生 1】汇报探究结果：增大 Zn 片和溶液的接触面、使用热
15、的硫酸铜溶液、增大硫酸铜溶液浓度均可以增大电流强度，只是增大的幅度不大，最多 1-2mA。【生 2】电压基本稳定在 1v 左右。2.7 学生探究实验 2实验 7 ：学生搭建双液原电池 ZnZnSO 4|CuSO4|Cu，在串联 5 个后成功为小米手机充上了电。设计实验意图：通过探究找到了增加电流强度的方法，但增加的程度不大，学生对能否充电产生了质疑，通过此实验来做最后的探究，真正让学生参与到探究的课堂中成为探究的主体。同时引入电池隔膜的知识激发了学生的社会责任感和爱国心，使这节探究课的课堂氛围达到了高潮，使探究教学的意义得以升华。教学过程设计：【师】手机充电器显示电压为 5V，电流为直流 50
16、0mA，用盐桥电池能为手机充电吗？【生】电流小点可能还不是问题最多充电时间会延长，电压不够我们可以串联几个原电池。【师】邀请二位学生配合着来尝试为手机充电。【生】配合着构建双液电池并进行串联，尝试为手机充电。【师】成功了！了不起！充电的指示灯亮了！但实用电池又是什么样的情况？一块小小的锂电池就可以供手机使用了，里面肯定也有即起到盐桥的作用，又尽可能让正负极靠的更接近的部件，我们来认识一下。【知识介绍】电池隔膜电池隔膜是指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，其主要作用是：隔离正、负极，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。电池隔膜的离子传导能力直接关系到电池的整体性能。全球制造电池隔膜的公司主要有
17、日本的旭化成，东然、日东以及美国的 ENTEK， celgard 等。【师】现在雾霾天经常出现，如果大街上跑的都是电动汽车 PM2.5 应该会好很多，但现在很多技术问题还没有解决，如提升电池放电效率的理想隔膜还没有出现，美丽中国梦期待着各位能为之而努力！三、反思与体会1.关于数字化实验教学数字化实验是通过采用传感器实验设备将实验数据转入电脑，进行实验分析与探究的新2016/1/21 V160625型实验形式，通过传感器可以从定量角度分析单液电池和双液电池的优缺点，让理论味道过浓的电化学知识变成了生动活泼探究画面，通过简单的手段获得精确的实验结果，可以节省课堂学时，更好地阐述原理，提高课堂教学
18、效率，也是信息技术与化学教学整合的新途径。 2.关于学生教材中安排的实验科学性强、易于操作，现象明显，具有很强的信息资源。学生对实验现象的一些“质疑”不应是以标准答案简单地“规范”，而是赞赏质疑，认真探究，仔细推敲，那么实验探究活动中的“质疑”才真正成为培养学生创新精神的原动力。在“质疑”前提下的学生尝试，即使仅仅是一个实验的改进都有可能影响到学生的终身。如学生在课后提出能否用金属代替盐桥，就是学生创作的灵感和思维的发散，可以成为教师在再次构建探究式教学的起点。总之，将教材中的一些验证性实验的呈现方式进行调整，利用数字化实验直观感性的呈现方式，充分利用现象，融入更多的探究成分，正真地让学生体验科学探究历程，培养学生严肃认真的科学态度及科学的学习方法，提高学生探究水平。
