探究影响水果电池电动势和内阻的因素

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一、提出问题

初中时，我们曾制作过一种非常简单的电池――水果电池。制作水果电池需要两种不同的金属做电极以及电解汁，也就是水果的汁液。将两种不同的金属丝或金属片插入一个水果中，就制成了一个水果电池。

最近，我们学习了高二物理《恒定电流》中测量电源的电动势和内阻，由此我们想：能否测出水果电池的电动势和内阻，探究影响水果电池电动势和内阻的因素？

二、猜想与假设

使用不同的金属，水果电池的电动势可能不一样，可能有很多因素影响水果电池的电动势。下面我们使用西红柿、白萝卜、贡梨等蔬果，逐一研究影响水果电池电动势和内阻的因素。

三、制定计划与设计实验

1.实验方案

首先我们决定按照学过的测量干电池电动势和内阻的方法，使用学生电表，采用电流表内接式。如图1。

可闭合开关后，无论选择怎样的量程，滑动变阻器最大阻值怎样变换，都无法测出正常的电流电压值。经过老师的提示，我们决定采用电流表外接法来减少系统误差。如图2。

遗憾的是，在实验室里，我们发现毫安表也无法测出电流，而且实验室没有毫伏表，最大阻值的滑动变阻器也不起作用，电压表指针偏转很少，读数误差很大。

经过多次尝试，我们决定利用多用电表的直流电压档（1V或2.5V量程），准备电阻箱、微安表开关、导线（带金属夹的）若干，按图3进行探究。

照此电路图，只要改变电阻箱R的阻值，利用多用电表的电压档测出路端电压U，即可测出两组U、R的数据，即可得方程组：

解这个方程组，即可求得水果电池的电动势E和内阻r。为减少误差，应改变R值，多测量几组数据，分别算出它们的平均值作为测量结果。

我们决定用作图法处理数据。在坐标纸上以I为横坐标，以路端电压U为纵坐标，根据U-I图像的函数关系来探究。

2.实验过程

（1）用不同的金属材料做电极，但总是使用相同的蔬果，保持电极埋入的深度和距离不变，分别测出各水果电池的电动势，研究电极材料对电动势的影响。

用不同种类的蔬果，但总是用铜片和锌片作为电极，保持电极的相互距离不变，改变电极插入的深度，分别测量下表中各水果电池的电动势，研究电极插入深度对电动势的影响。

（2）用同一个橙子，总是用铜片和锌片作为电极，保持电极间距不变，改变电极插入的深度，按照原理电路图2，测出多组U―I值，记录如下。

（3）用同一个萝卜，总是用铜片和锌片作为电极，改变电极插入的距离，按照原理电路图2测出多组U―I值，记录如下。

（4）研究水果电池串联与并联时电动势和内阻的大小变化，记录如下。

四、分析与论证

用作图法处理实验数据，作出不同情况下的U-I图像，并求出水果电池的电动势和内阻。

1.蔬果种类的影响

根据表1、表2、表3、表4的数据记录，在两个电极金属片相同时（即比较各表的同一列），西红柿与橙子的电动势比较接近，铜-锌材料的达到0.80V，而白萝卜和贡梨的比较接近，铜-锌材料的是0.64V至0.68V。

通过查询资料，我们了解水果电池形成的关键之一在于酸性物质的含量，酸性物质起到电解质的作用，往蔬果中插入不同金属电极并用导线连接起来，电子发生转移，便会形成电流。

我们用PH试纸对几种蔬果进行检测，发现西红柿和橙子的试纸颜色偏暖，PH值介于4～5之间，而白萝卜和贡梨PH值约6～7，白萝卜试纸的颜色接近绿色。

我们的探究表明，橙子、西红柿以及柠檬等含有丰富酸性液汁的蔬果作为探究材料的实验效果较好。

2.电极种类的影响

表1的数据记录表明，对于白萝卜电池，铜与锌的电极组合电动势最大。表2、表3、表4说明其他蔬果也是铜与锌的电极组合时电动势最大。

3.电极深度的影响

从表5可以看出，在电极间距为3cm时，采取外电路断开，利用多用电表直流电压1V档测得橙子电池的电动势随着电极深度的增加而增加，贡梨也有同样的特性，说明电极深度增加能够有效增加水果电池的电动势。

另外，根据表6、表7、表8作出的U-I图像，图线①对应表6的数据，图线②对应表7的数据，图线③对应表8的数据。从图线上看，橙子电池的电动势非常接近，电极深度增加时水果电池内阻逐渐变小。

结合最近学过的电阻定律，我们思考后认为，这相当于增加了导体的横截面积，所以阻值变小，实验与理论一致。

4.电极间距的影响

根据表6、表7、表8作出的U-I图像，图线④对应表9的数据，图线⑤对应表10的数据，图线⑥对应表11的数据，从图线上看，白萝卜电池的电动势非常接近（即与纵坐标轴的交点），变化不大，但是在相同条件下，电极间距越大，水果电池电路中产生的电流就越小，说明电池的内阻越大。

根据电阻定律所述，电极间的距离越大，电流在回路中的运行距离越长，电路所产生的电阻也就越大。由于水果电池产生的电压较小，电极距离会给实验效果带来较为明显的影响。理想状态是在确保两电极不接触的前提下，让它们之间的距离尽可能小。

5.电池连接方式的影响

电池连接分为串联和并联两种方式。单个水果电池产生的电压一般较小，电阻较大。实验中通过将4个西红柿电池串联，总电压虽然增大，但总电阻也相应增大，效果并不理想。

通过并联方式，电路中的总电阻减小，电流较大（表13的电流单位改为毫安表示），说明多个水果电池的并联有利于改善实验效果。

（指导老师：朱建山）