可樂電池典型問題的研究與突破

陳燕琴

摘 要：可樂化學原電池因其內部結構的可視性及其內電壓的可測性使其在高中物理恒定電流的教學中具有很強的實驗演示與學生實驗等教學功能，但實踐中經常出現可樂電池內外電壓之和不穩定甚至總電阻不變時內外電壓值不穩定的現象，通過多次實踐研究，找到了可樂電池電壓不穩定的原因與解決措施，實現了優化可樂電池的目的，取得了較好實驗效果.

關鍵詞：可樂電池;內電壓;外電壓;定量測量;數據穩定

人教版選修3-1第二章恒定電流中，諸多內容需要圍繞“電源”展開教學，例如“電源和電流”“電動勢”“閉合電路歐姆定律”“測定電池的電動勢和內阻”等.干電池、蓄電池等往往由于其內部結構的不直觀性而給學生的理解造成一定的障礙，化學原電池的使用可在保留電池基本功能的同時呈現直觀的內部結構和工作原理，更易于教學難點和學生思維障礙的突破.然而以硫酸為電解液的化學原電池由于安全隱患而往往只能局限于演示實驗，學生無法親手實踐、嘗試，始終存有不小的教學遺憾.可樂電池不僅取材容易制作簡單，更能使上述問題迎刃而解，然而實踐中發現可樂電池經常出現內外電壓之和不穩定的現象，以及在回路總電阻不變時出現電壓測量數據不穩定的現象，數據測量誤差較大，而相關報道的參考文獻又非常少.筆者通過長期的實踐研究，找出了其中的本質原因，并通過一系列的優化措施實現了穩定可樂電池電壓測量數據及穩定內外電壓之和的效果，進而更好地發揮其教學實踐功能.

1 可樂電池實驗及其典型問題

1.1 實驗器材

可樂電池（如圖1）、電壓傳感器（或數字式萬用表如圖2）、可變電阻（如圖3）、導線等.

1.2 實驗原理與電路圖

實驗原理為U外+U內=E，電路圖如圖4所示，選用最大阻值為1KΩ的可變電阻作為外電阻.

1.3 實驗數據記錄

實驗數據記錄見表1.

1.4 實驗數據分析

觀察實驗數據發現，當外電路處于斷開狀態時，開路電壓較穩定.但當外電路接通且外電阻處于最大值1KΩ時，內外電壓之和明顯降低，當外電阻從最大值逐漸調小時，內外電壓之和也隨之逐漸減小， 同時當回路總電阻不變時內電壓和外電壓測量數據處于不斷的波動狀態，電壓值非常不穩定，如圖5所示.實驗中也發現若將可樂電池電路斷開并靜置一段時間后，其開路電壓又能恢復到0.9V附近，但隨著電路的閉合又會呈現內外電壓之和逐漸減小的態勢.

2 內外電壓之和及電壓測量數據不穩定的分析與解決

為什么可樂電池的內外電壓之和不是常數？外電阻減小時為什么內外電壓測量數據不穩定？進一步觀察表1實驗數據可發現，當外電阻處于最大值1KΩ時外電壓也僅有0.19V，而內電壓卻有0.55V，說明可樂電池的內電阻要遠大于1KΩ.電壓測量數據的不穩定，是不是因為外電阻阻值不夠大而導致的呢？為此筆者進行了如下實驗設計.

2.1 實驗優化方案1：增大外電阻

將外電阻換作最大阻值為100KΩ的可變電阻，實驗數據記錄見表2.

從實驗數據記錄可以發現，當外電阻較大時，內外電壓之和相對比較穩定，而且各組電壓測量過程中也沒有出現數據不穩定的現象.但當外電阻小到一定程度時，內外電壓之和又會明顯減小，且各組電壓又呈現不穩定的狀態.這說明，外電阻越大越有助于內外電壓之和及各組電壓測量值的穩定.怎樣才能實現將外電阻減小到較小的阻值時也能得到穩定的測量數據呢？為此筆者進行了如下實驗設計.

2.2 實驗優化方案2：增大內電阻

減小可樂電池內部可樂與金屬極板的接觸面，即通過減小可樂液面高度實現增大電源內阻，如圖6所示.同樣使用最大阻值為100KΩ的可變電阻作為外電阻，實驗數據記錄見表3.

增大內電阻之后，發現外電路斷開時內電壓值并不為零，但數值非常小約為0.02V～0.06V，這是因為電壓傳感器的連接使回路中有小電流存在，故而內電路中有較小的內電壓.但在增大內電阻的情況下，經過多次實驗發現內電壓和外電壓能保持穩定，而且即使當外電阻調到較小的電阻值時，內外電壓之和仍能保持穩定，如圖7所示.測量過程中電壓表的讀數也沒有出現不規則波動的現象.

2.3 內外電壓之和及電壓測量數據不穩定的原因分析

通過增大外電阻和內電阻能有效實現可樂電池內外電壓之和的穩定及每個電阻值對應的內外電壓測量值的穩定.這是因為通過增大閉合電路的總阻值減小了電池工作電流，有效防止電池在大電流放電情況下導致的極化現象，這也是為什么當將可樂電池電路斷開靜置一段時間后其開路電壓又能恢復初始值的原因所在.這一現象與用干電池測量電源電動勢和內阻實驗中為什么要防止干電池大電流放電的原理一致.

2.4 其他相關實驗改良措施

實踐中，筆者也發現了其他有助于形成穩定的化學反應進而實現實驗測量數據穩定的措施：

（1）實驗前應用砂紙除去鋅板表面的氧化層，如圖8所示.

（2）擰開可樂瓶蓋靜置一段時間直至附著在金屬極板表面的氣泡極少.也可輕輕敲擊可樂容器底部使可樂液體中的氣泡快速排出.若靜置12小時，液面及鋅板表面幾乎無氣泡，如圖9所示.本文中所用可樂在開蓋下靜置了24小時.

3 可樂電池的應用實例

3.1 突破電動勢教學難點

通過學生分組實驗測量閉合電路中可樂電池內電壓和外電壓值，研究電源內外電壓的關系，從而有效建構電動勢的概念.并通過觀察外電阻改變時，內外電壓都發生改變而二者之和保持不變，突破電動勢僅取決于電源本身與其所處的狀態無關的教學難點.

3.2 演示電源大電流放電的極化現象

大電流放電實驗中，可樂電池內外電壓之和明顯下降是因為其電動勢在明顯減小，利用這一直觀的實驗現象，幫助學生體驗為什么電源長時間放電電流不宜太大的原因.

3.3 演示閉合電路歐姆定律

通過利用注射針筒壓縮或抽出氣體（如圖10），使可樂液體連接部分的液面高低發生改變，通過改變電源內電阻，動態呈現閉合電路中電流的變化，并讓學生直觀體驗電源內電阻的存在及其動態變化，有效引導學生對閉合電路歐姆定律的學習.

3.4 演示測定電池電動勢和內電阻

由于可樂電池的內電阻大小調節非常方便，可以形成非常明顯的外電壓隨外電阻變化而變化的現象，有效解決了傳統實驗中由于電池內阻不夠大而導致的電表示數變化不明顯的難題，進而有效減小實驗誤差.為防止大電流放電導致電池極化，實驗中的電流不能太大.實驗中利用量程為20mA 的多量程電流傳感器測量電流，當電流過小時易導致電流測量誤差的增加，圖11是在增加內電阻（降低可樂液面高度）但外電阻較小時所測6組數據畫出的U-I圖象.

通過可樂電池電壓測量數據不穩定問題的解決及可樂電池的進一步優化，有效化解教師在使用可樂電池中存在的技術障礙，輕松實現電源諸多相關實驗的成功實施，甚至實現教師演示實驗向學生探究實驗的轉變，為學生親身體驗物理知識的發生、發展過程提供條件，有效建構物理概念和規律，滲透科學思維方法，實現物理學科素養的有效培養.

參考文獻：

[1] 周上游.用可樂電池測量電源外電壓與內電壓的探究[J].實驗設計與技術，2016（S2）：40-41.