基于DIS實驗進行原電池電極電勢變化的實驗探究及其拓展

歐 勇,黃彥媚

(華東師范大學 教師教育學院,上海 200062)

1 問題的提出

在人教版高中物理選修3-1第2章第7節“閉合電路的歐姆定律”[1]的備課過程中，參考文獻[2]關于原電池實驗的改進方案：用銅板和鋅板作為兩極，可樂作為電解液，外接最大阻值為99 999 Ω的電阻箱，用2只電壓傳感器分別測量外電壓UAB和內電壓UCD，電路圖如圖1所示，分別測量并記錄斷路狀態、外電阻從20 000 Ω減小至0 Ω過程中的內、外電壓，在處理數據時發現當外電阻減小至5 000 Ω后，內、外電壓之和明顯小于開路電壓(即電源電動勢)，如表1所示. 更換電解液為0.005 mol/L的硫酸，仍出現類似結果，如表2所示. 筆者針對外電阻減小使得內、外電壓之和小于電源電動勢的問題進行了深入研究.

圖1 DIS實驗電路原理圖

表1 內、外電壓隨外電阻的變化(電解液為可樂)

表2 內、外電壓隨外電阻的變化

2 實驗裝置及過程

實驗儀器：銅鋅原電池(電解液為可樂)、最大阻值為99 999 Ω的電阻箱、3只電壓傳感器、數據采集器、2根銅探針、1個開關、計算機、導線若干.

實驗過程：根據圖2所示的電路圖，將銅鋅原電池與電阻箱相連，以鋅板作為零電勢點，利用3只電壓傳感器分別測量并記錄在減小電阻箱阻值的過程中，銅板、銅板附近的銅探針、鋅板附近的銅探針這幾處相對于鋅板的電勢差變化.

圖2 DIS實驗電路圖

3 實驗結果及討論

如圖3所示，以B點為零電勢點，將A,D,C3點電勢隨外電阻變化的圖像以折線圖形式畫出，圖中UCD即為內電壓，UAB即為外電壓. 從圖3中可以發現：

1)斷路狀態時，UAD和UDC幾乎為0；

2)電路接通，隨外電阻減小，AD兩點的電勢都逐漸降低，并且A點的電勢低于D點的電勢；

3)UCB在誤差范圍內幾乎不變.

根據上述實驗結果，筆者認為出現“外電阻較小時，內、外電壓之和小于電源電動勢”這一現象的原因與AD兩點的電勢差變化有關：

a.當外電路斷路時，AD兩點的電勢差幾乎為0，則UCD(內電壓)+UAB(外電壓)=E(電動勢)；

b.當外電阻較小時，AD兩點的電勢差為負值，則UCD(內電壓)+UAB(外電壓)

3.1 當外電路斷路時，AD兩點的電勢差幾乎為0

根據教材上的圖(圖4)，銅板電勢應該比溶液電勢高，實驗結果與之不符. 文獻[3]指出，銅探針與電解液之間也存在電勢差，即銅探針的電勢φ探并非是溶液本身的電勢φ液，即φ探≠φ液，而是φ探=φ液+U探-液. 所以電壓傳感器所測的UAD并非銅板與溶液的電勢差，而是銅板(A)—溶液(D)—溶液(D′)—銅探針(A′)的電勢差UAA′，如圖5所示. 故在斷路狀態(或外電阻較大)時，所測的“UAD”(實際是UAA′)幾乎為0.

圖4 閉合電路的電勢

圖5 銅板與銅探針電勢差示意圖

3.2 當外電阻較小時，AD兩點的電勢差為負值

通過查閱相關文獻[4]，提出了2個猜想.

1)由于銅板與銅探針之間存在電阻，有電流流過時，銅板與銅探針之間產生電勢差.

由前所述，利用銅探針測量出的電勢差并不是銅板與銅板附近溶液中的電勢差UAD，而是銅板與銅探針之間的電勢差UAA′. 當回路中有電流時，由于銅探針與銅板之間的溶液有電阻，故兩者之間會有電勢降落.

上述猜想似乎能很好地解釋實驗結果，但是繼續深入分析，會發現這種猜想是不正確的. 在電路接通時，假設是由于銅板與銅探針之間的電阻有電流流過而產生電勢差，那么外電阻減小，電流增大，根據歐姆定律銅板與銅探針的電勢差UAA′(即φA-φA′)減小，同理可得鋅板附近的銅探針與鋅板之間的電勢差UCB(即φC-φB)也應減小，但實驗結果卻顯示UCB幾乎不變，說明上述猜想其實是錯誤的.

2)銅電極發生了極化現象.

極化可分為2種：

a.由于銅板上有氫氣產生，細小的氣泡附著在銅板上，從而阻礙了溶液中的氫離子吸附到銅板上. 當外電阻較大時，系統反應速率較慢，產生的細小氣泡較少，氫離子吸附到銅板上的過程中受到的阻礙作用較小，因此極化電壓幾乎為0；當外電阻逐漸減小時，反應速率加快，產生的細小氣泡增多，氫離子吸附到銅板上的過程中受到的阻礙作用增加，不能即時與銅板上的電子反應，因此電子聚集導致銅板的電勢降低，產生極化電壓，且極化電壓隨外電阻的減小而增大.

b.由于電解液中氫離子的濃度較低. 當外電阻較大時，銅板附近的氫離子的消耗速率較慢，周圍溶液中的氫離子能及時擴散至被消耗區域，與銅板上的電子持續發生反應，極化電壓幾乎為0；當外電阻逐漸減小時，銅板附近的氫離子的消耗速率加快，而如果周圍溶液中的氫離子濃度較低，來不及擴散至被消耗區域，使得銅板上的電子不能即時參與反應，因此電子聚集，電勢降低，產生極化電壓，且極化電壓隨外電阻的減小而增大.

4 拓展實驗

4.1 拓展實驗1

仍以如圖2所示的裝置進行實驗，此時將電解液更換為0.1 mol/L硫酸，目的是增大溶液中的氫離子濃度，以探究是否由于電解液中氫離子的濃度較低而導致銅電極發生了極化現象. 實驗結果如圖6所示.

圖6 電勢變化圖(電解液為0.1 mol/L硫酸)

由圖6可見，當外電阻減小至1 000 Ω后，A點的電勢仍然要明顯低于D點的電勢，即銅電極仍然發生了極化現象. 據此可以認為銅電極發生極化現象與電解液中氫離子的濃度無關.

4.2 拓展實驗2

將銅板灼燒，使其表面覆蓋致密的氧化銅薄膜，再將其與鋅板插入電解液(0.005 mol/L硫酸)中，連接好電路，進行實驗. 實驗結果如圖7所示.

圖7 電勢變化圖(電解液為0.005 mol/L硫酸)

由圖7可見，外電阻減小，AD兩點的電勢差幾乎為0，也就是說，銅電極上的極化現象被消除了. 究其原因，此時銅電極上發生的反應是：

無氣體生成物，故而無氣泡附著在銅板上，無極化電壓產生. 這證明了銅電極發生極化現象是因為氣泡阻礙了氫離子附著在銅板上.

5 結束語

本文針對“外電阻減小會使得內、外電壓之和小于電源電動勢”問題進行了深入的理論分析和實驗探究. 為了確定“少的那一部分電壓去哪了”，嘗試測量了整個回路電勢變化情況，結果發現電路中A和D2點電勢差與教材理論描述不符，教材中φA>φD，但實驗數據顯示：1)當外電路斷路時，φA≈φD；2)當外電阻較小時，φA<φD. 查閱相關文獻后，經理論分析提出猜想，并通過2組拓展實驗證明產生上述實驗現象的原因是銅電極發生了極化現象，即電路接通后，銅板上有氫氣產生，細小的氣泡附著在銅板上，阻礙了溶液中的氫離子吸附至銅板. 將銅板灼燒，使其表面覆蓋一層致密的氧化銅薄膜，可消除銅板上的極化現象.