可视化微功耗原电池实验平台的实践研究*

丁良峰

在现行的原电池实验教学中，常采用金属或者石墨等电极直接用电解池溶液接触形成的电池装置以及水果电池等，通过灵敏电流计、小灯泡等方式以显示有电流产生。因为没有一个合适的平台，会出现实验时场景较零乱、学生观察不方便等状况。因此设计一个方便学生观察的实验平台会更加有利于实验教学。

一、现状分析

原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。原电池的工作原理是将氧化还原反应的氧化反应、还原反应分别在两极上进行；还原剂在负极被氧化，失去的电子通过导线传递给正极；氧化剂在正极被还原，得到电子，从而实现化学能向电能的转化。在实验时，常用的实验操作：(1)将锌片与铜片平行插入盛有稀硫酸的烧杯或装有硫酸铜的带盐桥的烧杯中，观察发生的现象；(2)用导线把锌片和铜片连接起来，观察发生的现象；(3)在导线中间接入一个电流计，观察发生的现象。如图1、图2所示。这些实验装置相对简单，如果作为演示实验，学生观察不方便，不能很好地满足教学需求。

图1

图2

二、实验平台的研究制作

1.原电池实验器

通常情况下选用1个烧杯或者2个烧杯，中间用盐桥连接，这样的器材存在反应效果不明显及器材复杂等问题。通过对现有器材的研究，最终选择方形有机玻璃制成的缸体且中间采用活动隔板的实验器，这样可以达到盐桥的效果。缸体上面采用活动盖板，可以自由抽出，以实验接线柱固定极板，方便更换(如图3 所示 )。

图3

2.微功耗元件

由于原电池实验中所能够产生的电压及电流都比较小，因此要显示原电池实验所产生的电流，就必须选择工作电压和电流都很小的电子元器件。常见的有集成音乐芯片电路、1.5 V的手电筒灯泡、普通发光二极管、小量程电压表及数码电压表等。在实践过程中发现微型电机也是一件非常好的元件。这种电机的启动电压仅有0.15 V，额定工作电压为3.4 V，电流为800 mA。为了能够从声光电的角度进行呈现电流的作用，选用了集成音乐芯片电路、小量程电压表及数码电压表、微型电机制成风车。

3.多媒体摄像头

原电池实验需要观察电解液中电极的现象及发电效果。而实验装置比较小，因此在进行演示实验时，学生无法看到实验现象。采用多媒体摄像头可以捕捉图像，通过USB连接输入到计算机后由软件再进行图像还原，通过多媒体投影可以方便观察。

4.实验平台的设计与制作

实验平台的设计主要的要求有方便操作、能够进行多组对比实验、可以采用声光电方式来反映电流的产生、可以采用摄像头进行图像的传输。其设计图样如图4所示。

图4

该装置主要有四部分构成。第一部分是原电池反应装置，由7原电池实验器所示；第二部分是电能转化部分，有1集成音乐芯片电路、2小量程电压表、3微型电机制作的风扇、4开关、5数码电压表；第三部分是图像采集部分，有8摄像头；第四部分是底座及其支撑板，如9底座所示。

实验平台的制作主要通过LaserCAD进行绘制加工图样(如图5所示)，使用激光切割机进行加工亚克力板，再将元件安装在支持板上面。导线部分主要采用了铜箔双面胶进行连接，使得电路简洁美观。摄像头支架采用可伸缩移动设计，方便进行整体图像及局部观察。

图5

三、实验平台的实践应用

可视化微功耗原电池实验平台可以很好地实现多组原电池对比实验，并且以数码电压表来准确显示电压的大小，通过转换开关可以选择是发出音乐声音还是带动风扇转动。这比传统的电压表单一地呈现原电池的反应更加有趣。图6为通过摄像头展示实验的过程。该平台不但可以进行电解液反应的实验，还可以进行水果电池等实验。由于该装置在电路连线部分使用香蕉插头进行，不仅使得电路连接更加方便，还可以与DIS化学实验器材进行连接，有利于数字化实验的进行。

图6

四、自制实验平台的思考

通过自制可视化微功耗原电池实验平台，让学生能够同时观察多组实验，使得原电池实验的研究更加深入。在演示实验中，让学生通过多媒体观察实验现象，再结合讲解，学生很容易理解并且记忆深刻，加深了学生对于化学原理的学习。同时在电流的转化方面也采用声光及其机械能方式的呈现方式，拓展了学生的视野。这些对培养学生的科学的实验态度等都有积极的意义。