引导实验探究,渗透科学历史--《原电池》教学过程与分析

谢乐菊 (江苏省南京市第一中学,210001) 摘要:在《原电池》一课的教学中,引导学生通过经历假设与猜想、设计实验方案、进行实验操作、观察并分析实验现象、得出结论、应用结论解决问题的过程,学习原电池的概念、工作原理、构成条件等知识,掌握科学探究方法,提高
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谢乐菊

(江苏省南京市第一中学,210001)

摘要:在《原电池》一课的教学中,引导学生通过经历假设与猜想、设计实验方案、进行实验操作、观察并分析实验现象、得出结论、应用结论解决问题的过程,学习原电池的概念、工作原理、构成条件等知识,掌握科学探究方法,提高科学探究能力;通过分组实验,培养观察能力与分析能力,提高与他人交流、合作的能力;通过实验探究和化学史学习,体会科学探究的艰辛过程与成功喜悦,进一步激发学习化学的兴趣和信心。

关键词:原电池教学设计实验探究科学史

《原电池》是人教版高中化学必修2第二章第二节《化学能与电能》的第一课时。对此,笔者设定的教学目标为:(1)认识原电池概念,理解原电池工作原理,了解构成原电池需满足的条件。(2)从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质。

(3)通过制作简易原电池的实验,学习实验研究的方法。其中的教学难点在于:从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质。

为此,笔者设想的教学思路为:引导学生通过经历假设与猜想、设计实验方案、进行实验操作、观察并分析实验现象、得出结论、应用结论解决问题的过程,学习原电池知识,掌握科学探究方法,提高科学探究能力;通过分组实验,培养观察能力与分析能力,提高与他人交流、合作的能力;通过实验探究和化学史学习,体会科学探究的艰辛过程和成功喜悦,进一步激发学习化学的兴趣和信心。

具体教学过程与分析如下:

一、设计传统实验,形成原电池的概念,探究原电池的工作原理

师上节课我们学习了化学能转化为热能。生活中还有一种随处可见的能量形式,那就是电能。本节课让我们一起来学习化学能是如何转化为电能的。产生电能就意味着产生了电流,也就是存在着电子的定向移动,那么我们学过的哪一类化学反应中存在电子的移动?

生氧化还原反应。

师非常好,今天我们就以同学们非常熟悉的一类氧化还原反应——金属与酸的反应——为例,一起来学习和研究化学能是如何转化为电能的。(稍停)如果我们将Zn片和Cu片同时放入稀硫酸中,两者不接触,将会看到什么现象?为什么?

生Zn片上产生气泡,Cu片上没有气泡,因为在金属活动性顺序表中,Zn排在H的前面,可以置换出酸中的H,而Cu排在H的后面,不可以置换出酸中的H。

师通过前面的学习我们知道Zn片上发生的反应为Zn失去电子生成Zn2+,H+获得电子生成H2。(稍停)如果我们用一根导线将稀硫酸中的Zn片与Cu片连接起来,将会看到什么现象呢?请大家分小组一起来探究一下。

(学生完成实验①:在盛有稀硫酸的小烧杯中同时加入Zn片和Cu片,两者不接触,观察实验现象。实验②:用导线将稀硫酸中的Zn片与Cu片连接起来,观察实验现象。)

生没有导线连接Zn片和Cu片时,只有Zn片上产生气泡,而用导线连接Zn片与Cu片后,Zn片和Cu片上均产生了气泡。

师Zn片上的气泡我们后面再讨论,那么Cu片上的气体是什么?

生应该是H2。

师Cu片上的气体是H2,说明H+在Cu片上获得电子生成H2,那么所需的电子从何而来呢?

生Cu片上的气泡是在Zn片与Cu片用导线连接后产生的,所以电子应该是从导线上转移过来的。

师如何通过实验证明Zn片上的电子通过导线转移到了Cu片上?

生接入电流表,检测是否有电流产生。

师好的。请大家用电流表开始检测。

(学生完成实验③:用接有灵敏电流计的两根导线分别接触稀硫酸中的Zn片和Cu片,观察实验现象。)

生电流表发生了偏转,指针向Cu片方向偏转。

师电流表指针发生了偏转,说明Zn片上的电子确实通过导线转移到了Cu片上,电子的定向移动产生了电流。从能量变化的角度来说,该装置中化学能转变成了电能,我们把这样的装置叫作原电池。

(板书“一、概念:将化学能转变为电能的装置”。)

师下面我们一起来分析总结一下Zn—Cu原电池的工作原理。

[板书“二、工作原理:锌片:Zn-2e- =Zn2+ (氧化反应);铜片:2H++ 2e- = H2↑(还原反应);总反应:

Zn+2H2e-+=Zn2++H2↑”。]

[设计意图:通过设计三组探究实验,引导学生仔细观察和分析实验现象,了解原电池就是将氧化还原反应的化学能转化成电能的装置;并通过分析原电池的工作原理,教会学生书写电极反应式和总化学反应方程式。]

二、引入数字化实验,体会原电池中的能量转换

师可以看到Zn—Cu原电池的总反应与Zn与稀硫酸的直接反应化学方程式是完全一样的,那么从能量转换的角度来看是不是也是相同的呢?今天我们将采用一种先进的测量装置——传感器——来测定两个不同反应体系中的温度变化,从而得到两种反应体系的能量转化。

[投影介绍传感器原理:传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息(如温度、电流、电压、气体含量等),并能将检测感受到的信息,按一定规律转变成电信号或其他所需形式的信息输出;如果将这些信号传输给电脑,在一定软件的处理下,可以绘制出这些信息随时间变化的函数曲线。演示实验:用传感器测定实验①和②中体系的温度变化,并展示结果,如图1。]

师曲线0是Zn与稀硫酸的直接反应时体系的温度—反应时间曲线,曲线1是Zn—Cu原电池体系的温度—反应时间曲线。我们可以清楚地看到,Zn与稀硫酸直接进行的氧化还原反应时体系的温度比Zn—Cu原电池体系的温度上升得快,说明前者的化学能主要转变成了热能,后者的化学能主要转变成了其他形式的能量——电能。

[设计意图:通过引入高中化学教学中没有的传感器实验,让学生体会不能直接感受到的原电池反应中的能量变化,即原电池在放电时,不是像普通氧化还原反应那样,化学能大部分转换成热能,而是化学能大部分转化成电能。]

三、分析反应过程,研究原电池的构成条件

师如果我们以稀硫酸的液面为分界线,液面以上部分称作外电路,以下部分称作内电路,请讨论此Zn—Cu原电池中的电子流向是怎样的。

生外电路中,Zn片上失去的电子通过导线转移到了Cu片上。内电路中的情况不知道。

师(提示)内电路的稀硫酸中,存在着什么粒子?

生Zn2+、H+、SO2-4和水分子。

师Zn片上的Zn原子失去电子后成为Zn2+进入溶液,Zn片附近富集了较多的正电荷,在静电作用下溶液中的什么离子会向Zn片移动?为什么?

生应该是SO2-4,因为静电吸引。

师那么H+和Zn2+这些阳离子会向哪边移动呢?为什么?

生因为电子沿Zn片流入Cu片,Cu片上富集了较多的负电荷,在静电引力的作用下,H+和Zn2+这些阳离子应该向Cu片移动。

师(投影图2)外电路中,电子沿导线从Zn片流向Cu片;内电路中,阴离子SO2-4向Zn片移动,阳离子H+ 和Zn2+向Cu片移动,由于H+ 得电子能力比Zn2+强,所以H+获得电子成为H2。那么如何确定Zn—Cu原电池中的负极和正极?

生电流表指针偏转的方向是电池的正极。

生我觉得是电池的负极。

师大家的意见不一致,那么我们就用实验来证明。

(学生完成实验④:用接有灵敏电流计的两根导线分别接触一节干电池的正极和负极,观察实验现象。)

生从实验来看,电流表指针偏转的方向是电池的正极,所以Zn—Cu原电池中Cu片应该是正极,Zn片应该是负极。

师很好!一般来说原电池中电子流出的电极为负极,电子流入的电极为正极。那么此Zn—Cu原电池中的电流流向又是怎样的?

生外电路中,电流从Cu片流向Zn片;内电路中,电流从Zn片流向Cu片。

师非常好!这样内外电路中的电流就形成了闭合回路。(稍停)刚刚我们一起进一步研究了原电池的工作原理,现在一起来分析构成原电池需要满足怎样的条件。请大家分小组讨论。

(学生小组汇报。教师板书“三、构成条件:1.自发的氧化还原反应;2.两个电极;3.电解质溶液;4.闭合回路”。)

师总结得非常好!我们知道,可做电极的材料主要是金属或非金属导体,那么原电池的两个电极的材料又应满足什么条件呢?现在给大家提供四种材料:2片锌片、2根铁钉、2片铜片、2根碳棒。请思考:它们之间做电极的可能组合有哪些?并通过实验探究可行的组合。

生同种电极组合应该有4种:Zn—Zn、Fe—Fe、Cu—Cu、C—C;不同种电极组合应该有6种:Zn—Fe、Zn—Cu、Zn—C、Fe—Cu、Fe—C、Cu—C。

(学生完成实验⑤:利用所给的试剂和用品,探究构成原电池的电极需满足的条件。学生小组汇报。教师板书“可行的电极组合有:Zn—Fe、Zn—Cu、Zn—C、Fe—Cu、Fe—C。两个电极应为两种活动性不同的金属或者一种金属和另一种非金属导体”。)

师如果将Zn片与Cu片的一端接触后,再放入稀硫酸中,将看到怎样的现象?为什么?

(学生完成实验⑥:将稀硫酸中的Zn片与Cu片直接接触,观察实验现象。)

生Cu片上也产生了气泡,因为Zn片与Cu片直接接触,其实也相当于组成了原电池的闭合回路。

[设计意图:通过分析原电池中的粒子运动、进行粒子运动的绘图讲解以及设计探究实验等,帮助学生理解原电池的正、负电极和粒子运动、电子流向以及电流方向的关系,体会原电池中的电流是怎么形成的,从而自主总结出原电池的构成条件,并用此结论检验不同材料是否可以组成原电池的电极。]

四、创设问题情境,感悟原电池的发明和应用

师今天我们学习了原电池的相关知识,下面看看我们能不能用这些知识来解决一些实际问题。

(出示问题1:实验②中,在用导线连接Zn片与Cu片后,Zn片和Cu片上均产生了气泡,Zn片上为什么会产生气泡呢?产生的是什么气体?)

生可能是Zn片不纯,Zn片和其中的杂质在稀硫酸中也组成了许多原电池,发生反应放出了H2。

师非常好!大家已经能用刚刚学到的知识解决问题了,让我们再来挑战新问题。

(出示问题2:图3中的哪些装置能构成原电池?为什么?)

生②③⑦可组成原电池。

师非常好!同学们知道吗,人类对原电池的研究其实源于一次偶然的解剖实验现象。

(出示资料“奇妙的青蛙腿——伽伐尼电流”:18世纪末,意大利解剖学和医学教授伽伐尼做青蛙手术时,将金属手术刀接触蛙腿,发现蛙腿会抽搐,如图4。)

师青蛙腿为什么会抽搐?

生铁盘、铜刀和体液构成了原电池,产生的电流刺激了神经,所以青蛙腿会抽搐。

师很好!对于这一偶然的实验现象,法国科学家伏特又进行了深入的研究。

(出示资料“伏打电池——世界上第一个化学电池”:法国科学家伏特抓住上述现象,深入研究,在1800年3月20日宣布他的发明——人类历史上第一个化学电池:伏打电池,如图5。伏打电池的发明,使人们第一次有可能获得稳定而持续的电流,是实用电池的开端。)

师人类科学史上的很多发明都源于偶然观察到的一些现象,但是只有持之以恒地去研究和实验,才能收获成功。下面让

我们试着当一次“小医生”。

(出示资料:格林太太是一位开朗乐观的妇女,在她大笑时,人们发现她有两颗金属牙,一颗金牙是她财富的象征,另一颗不锈钢牙是一场车祸留下的。可是令她百思不得其解的是,自从车祸后,她常常感到头晕、头痛、失眠、烦躁……医生绞尽了脑汁,格林太太的病情仍未见好转。一位年轻的化学家来看望格林太太时,为她揭开了病因。)

师请问:年轻的化学家发现了什么?怎样才能为格林太太找到解决病痛的方法?

生把不锈钢牙换成金牙,或把金牙换成不锈钢牙,总之两颗假牙应该选用一样的材料。

师非常好!只有破坏格林太太口腔内构成原电池的条件,才能治好她的“怪”病。同学们都是成功的“小医生”。今天大家的课堂探究和讨论非常精彩!有兴趣的同学下课后还可以上网查阅更多有关原电池的知识。

[设计意图:这部分是本节课的课堂反馈和知识延伸。首先是运用刚刚学习的原电池知识来判断原电池装置;其次是了解原电池的化学史,从伽伐尼电流的发现到伏打电池的发明,最后运用原电池的知识来客串一次医生,诊治格林太太的病情,从而体会到科学探究的艰辛过程和成功喜悦。]

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