異種金屬生成電流演示器的制作*

付金喜

高中物理選修教材3-1第二章《恒定電流》中第二節(jié)《電動勢》中的“科學(xué)漫步”環(huán)節(jié)介紹了生活中的各種電池，如太陽電池、干電池、鋰電池、鋅汞電池、鉛蓄電池等；高中物理選修教材3-3的第十章《熱力學(xué)定律》中第六節(jié)《能源與可持續(xù)發(fā)展》也介紹了各種新能源；高中物理教材選修1-1第一章《電場 電流》中第五節(jié)《電流和電源》中也介紹了各種電池，意大利物理學(xué)家伏打在重復(fù)了迦伐尼實驗后提出：產(chǎn)生電流的關(guān)鍵在于兩種不同金屬的連接，肌肉只起到檢驗作用。基于以上的教材使用依據(jù)，為了給學(xué)生展示這個有趣的促成最早的“電堆”發(fā)明的實驗，特制作了該儀器滿足教學(xué)的需要。

一、設(shè)計制作

1.原理

原理一：按經(jīng)典電子論，金屬不同，電子逸出功不同，因而金屬的自由電子體密度不同。當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者的自由電子體密度存在差異，就會在接觸處產(chǎn)生自由電子擴散運動，形成擴散電子流，產(chǎn)生接觸電動勢(也稱帕爾貼電勢)。一般接觸電動勢并不大，其數(shù)量級在10-2～10-3伏之間。

原理二：對于多種金屬(含兩種)連成的回路，在各接觸點溫度相同的條件下，閉合回路的總電動勢為“0”，因而不能在回路中建立穩(wěn)定電流。意大利物理學(xué)家伏打?qū)﹄娏鞯脑缙谘芯孔龀隽酥匾暙I(xiàn)，他將導(dǎo)體分為第一類導(dǎo)體(金屬)和第二類導(dǎo)體(潮濕導(dǎo)體)，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電循環(huán)的本質(zhì)條件是：必須由兩種不同的第一類導(dǎo)體和第二類導(dǎo)體組成回路。1799年，他發(fā)明了一種直接倍增兩類導(dǎo)體的組合接觸法，這就是一片片潮濕的紙板隔開的一對對鋅板和銅板組成的伏打電堆。他還發(fā)明了第一個伏打電池組。本作品中，用兩種不同材質(zhì)金屬和手(第二類導(dǎo)體)接觸產(chǎn)生接觸電勢差，因此，整個回路就有穩(wěn)定電流。

原理三：可以用原電池原理來解釋，將銅片和鐵片插入硫酸銅溶液中，鐵做負(fù)極，銅做正極。鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，失去的電子通過溶液給了銅，溶液中的陽離子再來得到這些電子，發(fā)生還原反應(yīng)形成了原電池，現(xiàn)在人就充當(dāng)了電解質(zhì)溶液的作用。

以上的3條原理都可以解釋該自制教具的工作原理。

2.制作使用的材料

長方形木板1塊(430 mm×300 mm)、手型銅板1塊、手型鐵板1塊、微安表（量程為±50 uA)1塊、軟導(dǎo)線若干、木螺釘多個、黑色橡膠軟托4個(從其他廢棄儀器上拆卸)。

3.制作方法

(1)使用木螺釘將黑色橡膠軟托固定在木板底面4個角上，使木板水平平穩(wěn)。

(2)將微安表固定在木板中間。

(3)木板左側(cè)固定安裝手型銅板，右側(cè)固定安裝手型鐵板。

(4)銅板和鐵板上端固定螺釘，螺釘引出線分別和微安表正負(fù)接線柱相連。

圖1　自制儀器裝置圖

圖2　實物自制教具作品外觀

二、操作步驟

(1)將雙手按在兩塊手形金屬板上。

(2)觀察電表指針的偏轉(zhuǎn)。

(3)兩只手變換方向交叉按壓，觀察電流表指針偏轉(zhuǎn)方向。

(4)比較不同的實驗者操作時，電表指針的偏轉(zhuǎn)幅度。

圖3　學(xué)生雙手放在銅、鐵片手型金屬板上進(jìn)行實驗

三、實驗現(xiàn)象

雙手充當(dāng)連接導(dǎo)體，將2種不同的金屬相連接，此時產(chǎn)生了電流。

四、結(jié)語

該教具用材簡單，趣味性強，既可用作初中物理引入電流知識教學(xué)時的教具使用，也可以用在高中電學(xué)教學(xué)，使學(xué)生了解伏打電池的起源和拓寬學(xué)生對電池、電動勢的理解，還可以作為學(xué)?？破栈顒又械娜の墩故緝x器。從教學(xué)實踐中的使用來看，對激發(fā)學(xué)生興趣、帶動教學(xué)高潮、增強教學(xué)趣味性都有較好的價值。