探究影響水果電池電動勢和內阻的因素

一、提出問題

初中時，我們曾制作過一種非常簡單的電池——水果電池。制作水果電池需要兩種不同的金屬做電極以及電解汁，也就是水果的汁液。將兩種不同的金屬絲或金屬片插入一個水果中，就制成了一個水果電池。

最近，我們學習了高二物理《恒定電流》中測量電源的電動勢和內阻，由此我們想：能否測出水果電池的電動勢和內阻，探究影響水果電池電動勢和內阻的因素？

二、猜想與假設

使用不同的金屬，水果電池的電動勢可能不一樣，可能有很多因素影響水果電池的電動勢。下面我們使用西紅柿、白蘿卜、貢梨等蔬果，逐一研究影響水果電池電動勢和內阻的因素。

三、制定計劃與設計實驗

1.實驗方案

首先我們決定按照學過的測量干電池電動勢和內阻的方法，使用學生電表，采用電流表內接式。如圖1。

可閉合開關后，無論選擇怎樣的量程，滑動變阻器最大阻值怎樣變換，都無法測出正常的電流電壓值。經過老師的提示，我們決定采用電流表外接法來減少系統誤差。如圖2。

遺憾的是，在實驗室里，我們發現毫安表也無法測出電流，而且實驗室沒有毫伏表，最大阻值的滑動變阻器也不起作用，電壓表指針偏轉很少，讀數誤差很大。

經過多次嘗試，我們決定利用多用電表的直流電壓檔（1V或2.5V量程），準備電阻箱、微安表開關、導線（帶金屬夾的）若干，按圖3進行探究。

照此電路圖，只要改變電阻箱R的阻值，利用多用電表的電壓檔測出路端電壓U，即可測出兩組U、R的數據，即可得方程組：

解這個方程組，即可求得水果電池的電動勢E和內阻r。為減少誤差，應改變R值，多測量幾組數據，分別算出它們的平均值作為測量結果。

我們決定用作圖法處理數據。在坐標紙上以I為橫坐標，以路端電壓U為縱坐標，根據U-I圖像的函數關系來探究。

2.實驗過程

（1）用不同的金屬材料做電極，但總是使用相同的蔬果，保持電極埋入的深度和距離不變，分別測出各水果電池的電動勢，研究電極材料對電動勢的影響。

用不同種類的蔬果，但總是用銅片和鋅片作為電極，保持電極的相互距離不變，改變電極插入的深度，分別測量下表中各水果電池的電動勢，研究電極插入深度對電動勢的影響。

（2）用同一個橙子，總是用銅片和鋅片作為電極，保持電極間距不變，改變電極插入的深度，按照原理電路圖2，測出多組U—I值，記錄如下。

（3）用同一個蘿卜，總是用銅片和鋅片作為電極，改變電極插入的距離，按照原理電路圖2測出多組U—I值，記錄如下。

（4）研究水果電池串聯與并聯時電動勢和內阻的大小變化，記錄如下。

四、分析與論證

用作圖法處理實驗數據，作出不同情況下的U-I圖像，并求出水果電池的電動勢和內阻。

1.蔬果種類的影響

根據表1、表2、表3、表4的數據記錄，在兩個電極金屬片相同時（即比較各表的同一列），西紅柿與橙子的電動勢比較接近，銅-鋅材料的達到0.80V，而白蘿卜和貢梨的比較接近，銅-鋅材料的是0.64V至0.68V。

通過查詢資料，我們了解水果電池形成的關鍵之一在于酸性物質的含量，酸性物質起到電解質的作用，往蔬果中插入不同金屬電極并用導線連接起來，電子發生轉移，便會形成電流。

我們用PH試紙對幾種蔬果進行檢測，發現西紅柿和橙子的試紙顏色偏暖，PH值介于4～5之間，而白蘿卜和貢梨PH值約6～7，白蘿卜試紙的顏色接近綠色。

我們的探究表明，橙子、西紅柿以及檸檬等含有豐富酸性液汁的蔬果作為探究材料的實驗效果較好。

2.電極種類的影響

表1的數據記錄表明，對于白蘿卜電池，銅與鋅的電極組合電動勢最大。表2、表3、表4說明其他蔬果也是銅與鋅的電極組合時電動勢最大。

3.電極深度的影響

從表5可以看出，在電極間距為3cm時，采取外電路斷開，利用多用電表直流電壓1V檔測得橙子電池的電動勢隨著電極深度的增加而增加，貢梨也有同樣的特性，說明電極深度增加能夠有效增加水果電池的電動勢。

另外，根據表6、表7、表8作出的U-I圖像，圖線①對應表6的數據，圖線②對應表7的數據，圖線③對應表8的數據。從圖線上看，橙子電池的電動勢非常接近，電極深度增加時水果電池內阻逐漸變小。

結合最近學過的電阻定律，我們思考后認為，這相當于增加了導體的橫截面積，所以阻值變小，實驗與理論一致。

4.電極間距的影響

根據表6、表7、表8作出的U-I圖像，圖線④對應表9的數據，圖線⑤對應表10的數據，圖線⑥對應表11的數據，從圖線上看，白蘿卜電池的電動勢非常接近（即與縱坐標軸的交點），變化不大，但是在相同條件下，電極間距越大，水果電池電路中產生的電流就越小，說明電池的內阻越大。

根據電阻定律所述，電極間的距離越大，電流在回路中的運行距離越長，電路所產生的電阻也就越大。由于水果電池產生的電壓較小，電極距離會給實驗效果帶來較為明顯的影響。理想狀態是在確保兩電極不接觸的前提下，讓它們之間的距離盡可能小。

5.電池連接方式的影響

電池連接分為串聯和并聯兩種方式。單個水果電池產生的電壓一般較小，電阻較大。實驗中通過將4個西紅柿電池串聯，總電壓雖然增大，但總電阻也相應增大，效果并不理想。

通過并聯方式，電路中的總電阻減小，電流較大（表13的電流單位改為毫安表示），說明多個水果電池的并聯有利于改善實驗效果。

（指導老師：朱建山）