陈燕琴
摘 要：可乐化学原电池因其内部结构的可视性及其内电压的可测性使其在高中物理恒定电流的教学中具有很强的实验演示与学生实验等教学功能，但实践中经常出现可乐电池内外电压之和不稳定甚至总电阻不变时内外电压值不稳定的现象，通过多次实践研究，找到了可乐电池电压不稳定的原因与解决措施，实现了优化可乐电池的目的，取得了较好实验效果.
关键词：可乐电池;内电压;外电压;定量测量;数据稳定
人教版选修3-1第二章恒定电流中，诸多内容需要围绕“电源”展开教学，例如“电源和电流”“电动势”“闭合电路欧姆定律”“测定电池的电动势和内阻”等.干电池、蓄电池等往往由于其内部结构的不直观性而给学生的理解造成一定的障碍，化学原电池的使用可在保留电池基本功能的同时呈现直观的内部结构和工作原理，更易于教学难点和学生思维障碍的突破.然而以硫酸为电解液的化学原电池由于安全隐患而往往只能局限于演示实验，学生无法亲手实践、尝试，始终存有不小的教学遗憾.可乐电池不仅取材容易制作简单，更能使上述问题迎刃而解，然而实践中发现可乐电池经常出现内外电压之和不稳定的现象，以及在回路总电阻不变时出现电压测量数据不稳定的现象，数据测量误差较大，而相关报道的参考文献又非常少.笔者通过长期的实践研究，找出了其中的本质原因，并通过一系列的优化措施实现了稳定可乐电池电压测量数据及稳定内外电压之和的效果，进而更好地发挥其教学实践功能.1 可乐电池实验及其典型问题
1.1 实验器材
可乐电池（如图1）、电压传感器（或数字式万用表如图2）、可变电阻（如图3）、导线等.
1.2 实验原理与电路图
实验原理为U外+U内=E，电路图如图4所示，选用最大阻值为1KΩ的可变电阻作为外电阻.
1.3 实验数据记录
实验数据记录见表1.
1.4 实验数据分析
观察实验数据发现，当外电路处于断开状态时，开路电压较稳定.但当外电路接通且外电阻处于最大值1KΩ时，内外电压之和明显降低，当外电阻从最大值逐渐调小时，内外电压之和也随之逐渐减小， 同时当回路总电阻不变时内电压和外电压测量数据处于不断的波动状态，电压值非常不稳定，如图5所示.实验中也发现若将可乐电池电路断开并静置一段时间后，其开路电压又能恢复到0.9V附近，但随着电路的闭合又会呈现内外电压之和逐渐减小的态势.2 内外电压之和及电压测量数据不稳定的分析与解决
为什么可乐电池的内外电压之和不是常数？外电阻减小时为什么内外电压测量数据不稳定？进一步观察表1实验数据可发现，当外电阻处于最大值1KΩ时外电压也仅有0.19V，而内电压却有0.55V，说明可乐电池的内电阻要远大于1KΩ.电压测量数据的不稳定，是不是因为外电阻阻值不够大而导致的呢？为此笔者进行了如下实验设计.
2.1 实验优化方案1：增大外电阻
将外电阻换作最大阻值为100KΩ的可变电阻，实验数据记录见表2.
从实验数据记录可以发现，当外电阻较大时，内外电压之和相对比较稳定，而且各组电压测量过程中也没有出现数据不稳定的现象.但当外电阻小到一定程度时，内外电压之和又会明显减小，且各组电压又呈现不稳定的状态.这说明，外电阻越大越有助于内外电压之和及各组电压测量值的稳定.怎样才能实现将外电阻减小到较小的阻值时也能得到稳定的测量数据呢？为此笔者进行了如下实验设计.
2.2 实验优化方案2：增大内电阻
减小可乐电池内部可乐与金属极板的接触面，即通过减小可乐液面高度实现增大电源内阻，如图6所示.同样使用最大阻值为100KΩ的可变电阻作为外电阻，实验数据记录见表3.
增大内电阻之后，发现外电路断开时内电压值并不为零，但数值非常小约为0.02V～0.06V，这是因为电压传感器的连接使回路中有小电流存在，故而内电路中有较小的内电压.但在增大内电阻的情况下，经过多次实验发现内电压和外电压能保持稳定，而且即使当外电阻调到较小的电阻值时，内外电压之和仍能保持稳定，如图7所示.测量过程中电压表的读数也没有出现不规则波动的现象.
2.3 内外电压之和及电压测量数据不稳定的原因分析
通过增大外电阻和内电阻能有效实现可樂电池内外电压之和的稳定及每个电阻值对应的内外电压测量值的稳定.这是因为通过增大闭合电路的总阻值减小了电池工作电流，有效防止电池在大电流放电情况下导致的极化现象，这也是为什么当将可乐电池电路断开静置一段时间后其开路电压又能恢复初始值的原因所在.这一现象与用干电池测量电源电动势和内阻实验中为什么要防止干电池大电流放电的原理一致.
2.4 其他相关实验改良措施
实践中，笔者也发现了其他有助于形成稳定的化学反应进而实现实验测量数据稳定的措施：
（1）实验前应用砂纸除去锌板表面的氧化层，如图8所示.
（2）拧开可乐瓶盖静置一段时间直至附着在金属极板表面的气泡极少.也可轻轻敲击可乐容器底部使可乐液体中的气泡快速排出.若静置12小时，液面及锌板表面几乎无气泡，如图9所示.本文中所用可乐在开盖下静置了24小时.
3 可樂电池的应用实例3.1 突破电动势教学难点
通过学生分组实验测量闭合电路中可乐电池内电压和外电压值，研究电源内外电压的关系，从而有效建构电动势的概念.并通过观察外电阻改变时，内外电压都发生改变而二者之和保持不变，突破电动势仅取决于电源本身与其所处的状态无关的教学难点.
3.2 演示电源大电流放电的极化现象
大电流放电实验中，可乐电池内外电压之和明显下降是因为其电动势在明显减小，利用这一直观的实验现象，帮助学生体验为什么电源长时间放电电流不宜太大的原因.
3.3 演示闭合电路欧姆定律
通过利用注射针筒压缩或抽出气体（如图10），使可乐液体连接部分的液面高低发生改变，通过改变电源内电阻，动态呈现闭合电路中电流的变化，并让学生直观体验电源内电阻的存在及其动态变化，有效引导学生对闭合电路欧姆定律的学习.
3.4 演示测定电池电动势和内电阻
由于可乐电池的内电阻大小调节非常方便，可以形成非常明显的外电压随外电阻变化而变化的现象，有效解决了传统实验中由于电池内阻不够大而导致的电表示数变化不明显的难题，进而有效减小实验误差.为防止大电流放电导致电池极化，实验中的电流不能太大.实验中利用量程为20mA 的多量程电流传感器测量电流，当电流过小时易导致电流测量误差的增加，图11是在增加内电阻（降低可乐液面高度）但外电阻较小时所测6组数据画出的U-I图象.
通过可乐电池电压测量数据不稳定问题的解决及可乐电池的进一步优化，有效化解教师在使用可乐电池中存在的技术障碍，轻松实现电源诸多相关实验的成功实施，甚至实现教师演示实验向学生探究实验的转变，为学生亲身体验物理知识的发生、发展过程提供条件，有效建构物理概念和规律，渗透科学思维方法，实现物理学科素养的有效培养.
参考文献：
[1] 周上游.用可乐电池测量电源外电压与内电压的探究[J].实验设计与技术，2016（S2）：40-41.
