視頻簡介：
視頻標(biāo)簽：雙液原電池鹽橋
所屬欄目：高中化學(xué)說課視頻
視頻課題：高中化學(xué)說課_雙液原電池鹽橋的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)_杜老師
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第七屆全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課大賽說課稿
學(xué)科： 高中化學(xué)
課題： 《雙液原電池鹽橋的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)》
教材： 高中化學(xué)蘇教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》
姓名：
學(xué)校： 浙江大學(xué)附屬中學(xué)
高中化學(xué)·蘇教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》
雙液原電池鹽橋的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
本實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)包括兩個(gè)內(nèi)容
一．雙液原電池中鹽橋的改進(jìn)
二．雙液原電池鹽橋中離子移動(dòng)方向可視化
一、雙液原電池中鹽橋的改進(jìn)
（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析
1.教學(xué)內(nèi)容分析
雙液銅鋅原電池在現(xiàn)行版本的教材中均有介紹，本實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)江蘇教育出版社新編教材選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》專題1“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”第2單元“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”原電池的工作原理課本中（第31頁）教師演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新。課本內(nèi)容是：“按圖1-8組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30mL 1mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，將連接導(dǎo)線和電流計(jì)的鋅片和銅片分別插入ZnSO
4溶液和CuSO
4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內(nèi)的電解質(zhì)溶液中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，取出鹽橋，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。在教學(xué)過程中教師通常會(huì)使用U形管瓊脂KCl鹽橋做演示實(shí)驗(yàn)。但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，由于U行管鹽橋的路徑較長，且與電解質(zhì)溶液的接觸面積過小，導(dǎo)致測得的電流只有10mA左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單液原電池的電流（從170mA開始逐漸衰減，如圖1所示）。
圖1 單液銅鋅原電池與雙液U行管鹽橋原電池電流對(duì)比圖
因此，在教授為什么要引入雙液原電池時(shí)，很多老師都特意回避這個(gè)問題，從單液原電池Zn會(huì)和CuSO
4溶液直接反應(yīng)從而使得電流一直衰減，而雙液原電池可以得到穩(wěn)定的電流這一角度來引入。而實(shí)際上，這一節(jié)的內(nèi)容放在“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”這一章節(jié)當(dāng)中，使用雙液原電池的最主要的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是雙液原電池比單液原電池具有更高的能量轉(zhuǎn)化，教師在授課時(shí)，不應(yīng)該回避這一最重要的知識(shí)點(diǎn)，而應(yīng)該當(dāng)做重點(diǎn)來進(jìn)行闡述。
2.學(xué)生學(xué)情分析
在實(shí)際教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生使用溫度計(jì)和電流表測量銅鋅單液原電池中溫度與電流的變化情況后，學(xué)生很自然的能夠理解銅鋅原電池中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：化學(xué)能轉(zhuǎn)換成了電能和熱能。在此基礎(chǔ)上引入雙液原電池水到渠成。
在引入雙液原電池之前，我問了學(xué)生一個(gè)問題：“請(qǐng)你預(yù)測引入鹽橋后產(chǎn)生的電流比單液原電池電流更大還是更小？” 80%以上的同學(xué)都認(rèn)為雙液原電池應(yīng)該具有更大的電流，他們的理由是從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，雙液原電池避免了鋅片與硫酸銅溶液直接反應(yīng)，那么就會(huì)有更多的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，自然得到的電流更大。而教師在實(shí)際教學(xué)中由于U行管的內(nèi)阻過大，導(dǎo)致電流過小，給學(xué)生造成了很大的困擾。
為了解決這一難題，本人改進(jìn)了U行管鹽橋裝置，大大降低了鹽橋內(nèi)阻，測到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池的電流，在實(shí)際教學(xué)過程中有很強(qiáng)的實(shí)用性。
（二）實(shí)驗(yàn)部分
1.實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
實(shí)驗(yàn)儀器：電腦、朗威8.0數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、溫度傳感器、電解槽、銅絲
實(shí)驗(yàn)藥品：銅片、鋅片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液
2.實(shí)驗(yàn)原理
（1）瓊脂塊鹽橋的制備
在1000 mL沸水中先加入7 g瓊脂，加熱使其完全溶解，再加入250 g KCl固體，繼續(xù)加熱，直至KCl完全溶解，停止加熱。等溶液冷卻至50°C左右，趁熱倒在一個(gè)矩形電解槽中，待冷卻凝固后用小刀將裝置內(nèi)兩邊多余的瓊脂除去，只留中間一堵厚度為2cm的“墻”，即形成了瓊脂塊鹽橋（如圖2所示）。圖2 瓊脂塊鹽橋的制備
（2）瓊脂塊鹽橋性能的測定
采用改進(jìn)后的鹽橋組裝成雙液原電池，測定Cu│CuSO
4║KCl║ZnSO
4│Zn雙液原電池的電流與溫度變化，并與反應(yīng)相同時(shí)間的單液原電池進(jìn)行溫度和電流的比較。
3.實(shí)驗(yàn)步驟
將溫度傳感器（2個(gè)）、電流傳感器（2個(gè)）、數(shù)據(jù)采集器、電腦相連，打開朗威8.0數(shù)字化軟件，將銅片、鋅片放入改進(jìn)后的瓊脂塊鹽橋電解槽中的硫酸銅溶液、硫酸鋅溶液中，連接電流傳感器（1通道）。將相同尺寸大小的銅片、鋅片同時(shí)放入硫酸銅溶液中，連接電流傳感器（3通道）。反應(yīng)5分鐘后，將溫度傳感器分別放入雙液（2通道）、單液（4通道）鋅片附近，同時(shí)進(jìn)行溫度、電流的測定（如圖3所示）。
圖3 使用溫度傳感器、電流傳感器測定雙液、單液原電池的溫度、電流
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
圖4 雙液、單液原電池的溫度、電流數(shù)值
如圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，反應(yīng)五分鐘后，雙液原電池的溫度為24.4 °C，單液原電池的溫度為30.7°C。從能量轉(zhuǎn)換的角度可以直觀的看出單液原電池中一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，而雙液電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于單液電池。同時(shí)，雙液電池的電流為0.81A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池的電流（0.04A），從電流的數(shù)據(jù)可以看出，雙液電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池。總之，創(chuàng)新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器可以直觀的讓學(xué)生從能量的兩個(gè)角度直觀的感受到雙液電池的電能轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液電池。
5.實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案探究
筆者在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)瓊脂塊鹽橋制備時(shí)KCl的濃度以及瓊脂塊的厚度對(duì)原電池產(chǎn)生的電流有一定的影響。因此，為了使原電池能形成相對(duì)最大、最穩(wěn)定的電流，筆者從鹽橋制備中KCl的用量、鹽橋的厚度兩方面進(jìn)行了瓊脂塊鹽橋最優(yōu)制備方案的探究。
（1）實(shí)驗(yàn)條件研究一 ——鹽橋配制的最佳配比
蘇教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》教材指出“鹽橋中通常裝有含KCl飽和溶液的瓊脂”，但筆者在配制鹽橋內(nèi)容物時(shí)發(fā)現(xiàn)，若先制得KCl飽和溶液，再向其中加入瓊脂，則瓊脂的溶解度很小，溶解的瓊脂不足以使溶液形成凝膠狀。于是筆者調(diào)整加料順序，先在1000 mL熱水中加入7 g瓊脂（該瓊脂用量是筆者通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比優(yōu)化后得出的），使其完全溶解后再加入340 g KCl固體（20°C,1000 mL水中KCl的溶解度約為340 g），完全溶解后趁熱倒入矩形電解槽中，冷卻后便可制得定型的瓊脂凝膠。但在冷卻過程中，筆者發(fā)現(xiàn)瓊脂凝膠中有大量似雪花狀的KCl晶體析出（如圖5所示），經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，由該瓊脂塊鹽橋構(gòu)成的原電池產(chǎn)生的電流極不穩(wěn)定，筆者認(rèn)為該電流不穩(wěn)定的現(xiàn)象是由瓊脂塊鹽橋固相不均一性引起的。
圖5 瓊脂塊鹽橋中KCl濃度過大時(shí)的晶體析出圖
因此，筆者制備了不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋，以探究KCl含量對(duì)鹽橋性能的影響。首先從瓊脂塊鹽橋的固相均一性考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（如表1所示），在1000mL水、7 g瓊脂的溶液中加入KCl固體不大于250 g時(shí)可以制得固相均一性較好的鹽橋。
筆者將制得的不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋構(gòu)成銅鋅原電池，并對(duì)其進(jìn)行電流測定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，由結(jié)果可知，在鹽橋厚度相同時(shí)，鹽橋中KCl濃度越大，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)碾x子越多，溶液內(nèi)阻越小，實(shí)驗(yàn)所測得的電流越大。但是用固相不均一的鹽橋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于鹽橋中KCl分布不均勻，電流非常不穩(wěn)定。使用KCl含量為340 g的鹽橋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，電流極不穩(wěn)定，無法測定準(zhǔn)確電流值。圖六中KCl為300g時(shí)，所測得的電流為初始電流，電流不穩(wěn)定，快速衰減。而KCl含量降低到250g后，可以測得比較穩(wěn)定的電流。在配制得到的均相鹽橋中，在鹽橋相同厚度時(shí)，隨著KCl含量的增加，實(shí)驗(yàn)測得的電流逐漸增大。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為在1000 mL沸水中先加入7 g瓊脂，完全溶解后加入250 g KCl固體，冷凝后制得的鹽橋固相均一，實(shí)驗(yàn)效果最好。
表1 KCl用量對(duì)鹽橋的影響
|
編號(hào) |
水 |
KCl |
瓊脂 |
固相均一性 |
|
1 |
1000 mL |
340 g |
7 g |
不均一 |
|
2 |
1000 mL |
300 g |
7 g |
不均一 |
|
3 |
1000mL |
250g |
7g |
均一 |
|
4 |
1000 mL |
200 g |
7 g |
均一 |
|
5 |
1000 mL |
150 g |
7 g |
均一 |
|
6 |
1000 mL |
100 g |
7 g |
均一 |
|
7 |
1000 mL |
50 g |
7 g |
均一 |
（2）實(shí)驗(yàn)條件研究二 ——鹽橋的最佳厚度
圖六結(jié)果表明：當(dāng)鹽橋中KCl含量一定時(shí)，鹽橋厚度越小，內(nèi)阻越小，所測得的電流越大。對(duì)比不同KCl含量的鹽橋的電流-厚度曲線（如圖6），筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽橋厚度大于2 cm時(shí)，上述瓊脂塊鹽橋均可得到較穩(wěn)定的電流。當(dāng)鹽橋厚度減小至2cm以下時(shí)，產(chǎn)生的電流高達(dá)1.2 A以上，但此時(shí)的電流開始趨于不穩(wěn)定。針對(duì)該現(xiàn)象，筆者認(rèn)為原因在于：當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中電流較大時(shí)，鹽橋中需要傳輸?shù)碾x子也相應(yīng)增多，而此時(shí)過窄的瓊脂塊鹽橋無法提供給離子穩(wěn)定的傳輸介質(zhì)，從而引起了電流的不穩(wěn)定，另外電流過大時(shí)，電池的正負(fù)極極化增強(qiáng)，伴隨副反應(yīng)加劇，也導(dǎo)致電流不穩(wěn)定。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)瓊脂塊鹽橋的厚度宜取2-3 cm。
圖6 瓊脂塊鹽橋中KCl含量以及瓊脂塊厚度對(duì)電流的影響
二、雙液原電池鹽橋中離子移動(dòng)方向可視化
（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析
1．教學(xué)內(nèi)容分析
雙液銅鋅原電池中鹽橋的使用在現(xiàn)行版本的教材中均有介紹，本實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)江蘇教育出版社新編教材選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》專題1“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”第2單元“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”原電池的工作原理課本中（第31頁）教師演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新。課本內(nèi)容是：“按圖1-8組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30mL 1 mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL 1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，將連接導(dǎo)線和電流計(jì)的鋅片和銅片分別插入ZnSO
4溶液和CuSO
4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內(nèi)的電解質(zhì)溶液中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，取出鹽橋，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。原電池內(nèi)電路中帶電粒子的定向移動(dòng)是一個(gè)非常重要概念，然而教材只有理論表述，缺少直觀的實(shí)驗(yàn)感受。
2．學(xué)生學(xué)情分析
在實(shí)際教學(xué)中，關(guān)于離子定向移動(dòng)的考題非常多，而且陰陽離子交換膜是有出現(xiàn)，但是這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)生而言非常抽象，難以理解。
筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了陰陽離子交換膜雙液原電池，并使用氯離子、鉀離子檢測儀來檢測溶液中Cl
-、K
+的移動(dòng)方向，讓學(xué)生直觀的感受到陰陽離子的移動(dòng)。
（二）實(shí)驗(yàn)部分
1.實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
實(shí)驗(yàn)儀器：電腦、朗威8.0數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、溫度傳感器、氯離子檢測儀、鉀離子檢測儀、電解槽、銅絲、自制的陰陽離子交換膜雙液原電池裝置。
實(shí)驗(yàn)藥品：銅片、鋅片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液、飽和KCl溶液、0.5 mol•L
-1的BaCl
2溶液、0.5 mol•L
-1的NaOH溶液。
2.實(shí)驗(yàn)原理
（2）陰陽離子交換膜雙液原電池裝置的制備
實(shí)驗(yàn)用品：pp板，墊片、陰離子交換膜、陽離子交換膜、
圖7 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置制備原料圖
處于密封性考慮，筆者選用pp板和墊片進(jìn)行連接處的密封，同時(shí)筆者采用了六個(gè)墊片（如圖8），外加鋼板、螺絲進(jìn)行固定，如此組裝的裝置經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明，密封性良好。筆者制備的雙膜原電池裝置的費(fèi)用不高，原料在淘寶上均可購得，該自制的雙膜電池裝置可以作為教學(xué)用具進(jìn)行普及。
圖8 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置原料連結(jié)過程圖
圖9 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置實(shí)物圖
圖9為筆者自制雙膜原電池裝置的實(shí)物圖，陰陽離子交換膜分開的中間KCl區(qū)域就構(gòu)成了鹽橋區(qū)域。其中陽離子交換膜把正極區(qū)與鹽橋區(qū)域分開，而陰離子交換膜分開了鹽橋區(qū)域與負(fù)極區(qū)。
實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)：該雙膜原電池裝置與傳統(tǒng)的瓊脂鹽橋雙液電池相比，實(shí)驗(yàn)裝置可以多次重復(fù)使用，操作方便簡單。鹽橋區(qū)域的電解質(zhì)溶液可以在實(shí)驗(yàn)演示時(shí)現(xiàn)場倒入，讓學(xué)生直觀的感受到鹽橋連接了正負(fù)極區(qū)域。
3.實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析
（1）將硫酸銅、硫酸鋅、氯化鉀溶液分別倒入相應(yīng)的區(qū)域，使用電流傳感器連接銅片、鋅片兩個(gè)電極，接通回路。電流可以達(dá)到200mA。
圖10 單液銅鋅原電池與雙膜原電池電流對(duì)比圖
圖10可以看出筆者改進(jìn)的雙膜原電池電流遠(yuǎn)高于同條件下的單液原電池的電流，而且比較穩(wěn)定。該圖可以讓學(xué)生直觀的感受到雙液電池化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池，既雙液電池具有更高的能量轉(zhuǎn)化率。
（2）反應(yīng)一段時(shí)間后，將氯離子檢測儀分別放入硫酸銅區(qū)域、硫酸鋅區(qū)域。
圖11 c(Cl
-)隨時(shí)間在兩極區(qū)的變化曲線圖。
由圖11可以看出隨著時(shí)間的延長，負(fù)極區(qū)（ZnSO
4溶液）中c（Cl
-）逐漸在增加，說明中間鹽橋區(qū)域的Cl
-經(jīng)過陰離子交換膜移動(dòng)到負(fù)極區(qū)。而陽極區(qū)（CuSO
4溶液）中
c（Cl
-）濃度非常小，幾乎為0，而且隨著時(shí)間的增長是一條直線，說明Cl
-沒有移動(dòng)到正極區(qū)。
（3）將鉀離子檢測儀分別放入硫酸銅區(qū)域、硫酸鋅區(qū)域。
圖12 c(K
+)隨時(shí)間在兩極區(qū)的變化曲線圖。
由圖12可以看出隨著時(shí)間的延長，負(fù)極區(qū)（ZnSO
4溶液）中c（K
+）濃度非常小，接近于0，而且隨著時(shí)間的增長是一條直線，說明K
+沒有移動(dòng)到負(fù)極區(qū)。而陽極區(qū)（CuSO
4溶液）中K
+濃度在逐漸增大，說明中間鹽橋區(qū)域的K
+經(jīng)過陽離子交換膜移動(dòng)到正極區(qū)。
（4）取出少許（鹽橋）KCl區(qū)域溶液，分別滴加 BaCl
2、NaOH溶液。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溶液仍然澄清。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：滴加 BaCl
2，溶液仍然澄清，說明正極區(qū)（硫酸銅區(qū)域）、負(fù)極區(qū)（硫酸鋅區(qū)域）的 SO
42-沒有進(jìn)入到中間鹽橋區(qū)域。滴加NaOH溶液，溶液仍然澄清，說明正極區(qū)（硫酸銅區(qū)域）、負(fù)極區(qū)（硫酸鋅區(qū)域）的 Cu
2+、Zn
2+沒有進(jìn)入到中間鹽橋區(qū)域，學(xué)生可以更深一步體會(huì)到陰陽離子膜的作用。
結(jié)語：兩個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)
1.創(chuàng)新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器直觀的讓學(xué)生感受到雙液原電池的電能轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池
2.創(chuàng)新膜電池裝置，采用鉀離子傳感器和氯離子傳感器，使學(xué)生直觀的感受到鹽橋中鉀離子、氯離子的移動(dòng)方向，同時(shí)更深入的體會(huì)到陰陽離子膜的作用。
三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
1．實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，讓學(xué)生直觀感受到雙液原電池比單液原電池具有更高的電能轉(zhuǎn)化率。
2．教學(xué)重難點(diǎn)：雙液原電池具有更高的效率。
3．實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程
教學(xué)過程設(shè)計(jì)：
筆者從幾個(gè)問題來展開原電池的這一節(jié)課內(nèi)容。
【問題1】你認(rèn)為為什么要引入雙液原電池？
（1）利用電流傳感器、溫度傳感器體會(huì)單液原電池Zn│CuSO
4│Cu電流、溫度變化情況。
[實(shí)驗(yàn)1] ：將鋅片與銅片用導(dǎo)線連接起來，導(dǎo)線中間連接電流傳感器，再將鋅片與銅片插入硫酸銅（1mol/L）的燒杯中，將溫度傳感器放入硫酸銅溶液中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)電流表的讀數(shù)從174mA左右逐漸減小10秒鐘左右減到120mA左右，并也在持續(xù)減小。反應(yīng)5min后，溶液的溫度由24.4°C升至30°C。
【問題2】你是怎么理解“鹽橋”這個(gè)概念的？
【問題3】請(qǐng)你預(yù)測引入鹽橋后產(chǎn)生的電流比單液原電池電流更大還是更小？
學(xué)生預(yù)測：
班里80%以上的學(xué)生認(rèn)為雙液原電池的電流更大，因?yàn)橐肓穗p液原電池后，避免了鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，那么應(yīng)該化學(xué)能更多的轉(zhuǎn)化為電能。
（2）利用電流傳感器、溫度傳感器體會(huì)雙液原電池Zn│ZnSO
4║CuSO
4│Cu電流、溫度變化情況。
[實(shí)驗(yàn)2] ：將鋅片插入硫酸鋅溶液，銅片插入硫酸銅溶液，兩燒杯間用鹽橋連接，用導(dǎo)線連接電極，導(dǎo)線中間連電流傳感器，將溫度傳感器放入硫酸鋅溶液中，實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)電流傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定在10mA左右。5min后，溶液的溫度由24.4°C升至25°C。
【問題4】：根據(jù)實(shí)驗(yàn)二中電流的變化情況，你得出什么實(shí)驗(yàn)結(jié)論？
【問題5】：實(shí)驗(yàn)過程中，雙液原電池的電流有沒有達(dá)到你的預(yù)期？小組討論分析原因是什么？如何對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)性改進(jìn)？
學(xué)生討論分析，提出解決問題方案有：
4.學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)1
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn) ：本實(shí)驗(yàn)采用相同大小的銅鋅片，1mol/L CuSO
4 1mol/LZnSO
4
表2 實(shí)驗(yàn)記錄表
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鹽橋材質(zhì) |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
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1000mL水+7g瓊脂+250gKCl制備的瓊脂塊鹽橋 |
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圖13 學(xué)生利用改進(jìn)的瓊脂塊雙液電池測定厚度與電流的關(guān)系
學(xué)生預(yù)測與實(shí)際實(shí)驗(yàn)有偏差，使用U型管鹽橋所測得的電流遠(yuǎn)小于單液電池，讓學(xué)生有一種認(rèn)識(shí)沖突，進(jìn)而展開討論，來分析問題，解決問題。
學(xué)生理論上分析得出改進(jìn)方案后，學(xué)生進(jìn)行瓊脂塊原電池實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)際的結(jié)合，讓學(xué)生真正感受到鹽橋距離的大小與接觸面積的變化與電流有直接的關(guān)聯(lián)。讓學(xué)生有一種成功的喜悅，一種理論變成現(xiàn)實(shí)的直視感。
學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
表3 瓊脂塊鹽橋電流與瓊脂塊厚度的關(guān)系
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鹽橋材質(zhì) |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA） |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
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1000mL水+7g瓊脂+250gKCl制備的瓊脂塊鹽橋 |
5 |
560 |
4 |
590 |
3 |
700 |
2 |
810 |
5.學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)2
在測量完瓊脂塊厚度為2cm時(shí)，讓學(xué)生進(jìn)行溫度的測量，對(duì)改進(jìn)的雙液電池溫度、電流與單液電池進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)（
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示）。
反應(yīng)五分鐘后，雙液原電池的溫度為24.4 °C，單液原電池的溫度為30.7°C。從能量轉(zhuǎn)換的角度可以直觀的看出單液原電池中一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，而雙液電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于單液電池。同時(shí)，雙液電池的電流為0.81A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池的電流（0.04A），從電流的數(shù)據(jù)可以看出，雙液電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液原電池。總之，創(chuàng)新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器可以直觀的讓學(xué)生從能量的兩個(gè)角度直觀的感受到雙液電池的電能轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單液電池。
四、實(shí)驗(yàn)效果反思與評(píng)價(jià)
本堂課采用：
教師提出問題→學(xué)生預(yù)測結(jié)果→學(xué)生實(shí)驗(yàn)→理論與實(shí)際沖突→學(xué)生討論→提出解決問題方案→創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)→得出結(jié)論。
利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力。真正提高學(xué)生的學(xué)課素養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，可以讓學(xué)生對(duì)抽象的原電池雙液的引入有了直觀的感受，可以從電能與熱能兩個(gè)方面來理解雙液原電池具有更高的能量轉(zhuǎn)化率。
該實(shí)驗(yàn)操作簡單，對(duì)實(shí)驗(yàn)者操作能力要求不高。具有一定的普及性。
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