宁波海曙：2019STEM项目作业案例（十四）水果电池 海曙区南苑小学章立颖

STEM项目作业案例 水果电池

海曙区南苑小学 章立颖

我们的生活离不开电器，电池能给用电器提供动力。电池有很多种类：比如锂电池，干电池，纽扣电池等。

但是你们听说过水果电池吗？让我们试着制作水果电池，未来可能会因为我们的探究而使电池家族迎来一些新成员，让我们赶紧行动吧！

一、问题与聚焦

探寻绿色电池

传统电池对环境的污染巨大，我们能用更环保的材料制作电池吗？有研究者发现水果可以作为制作电池的材料。某大学的电力实验室正在进行一项有趣的科学研究，寻找清洁的电力能源，你愿意与同学们一起发挥聪明才智，参加这个科研项目吗？

二、调查分析和活动体验

活动一：干电池是如何工作的？

同学们，你们一定认识使用过干电池，关于干电池你们知道多少呢？常见的干电池以二氧化锰与碳棒为电池的正极，以锌为负极，以氯化氨作为电解液，通过化学反应来提供电能。

资料阅读：电池不仅能储存能量，而且携带方便，因此它们被广泛应用于工业和人们的日常生活中。人们根据使用需求发明了很多种电池，比如锌碳电池，碱性电池，锂离子电池，铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，氧化银电池（纽扣电池）和太阳能电池等。科技的进步推动了高性能电池的不断出现，镍镉电池就是其中的一种。然而高性能电池并没有在市场中占据主导地位，目前用量最大的还是锌锰电池（包括锌碳电池和碱性电池）、锂离子电池和铅酸电池，它们分别应用于不同的领域。如：遥控器、儿童玩具、钟表等，大多使用新锰电池；手机、电脑、平板电脑等大多使用锂离子电池；汽车，卡车，电动自行车等则大多使用铅酸电池。

活动实验:点亮LED灯

1、活动要求：用下列材料点亮LED灯 LED灯(1.8V-2.2V)一个 带鳄鱼夹头的绝缘电线一根 干电池5号两节

2、活动过程：

（1）用一节电池点亮LED灯，观察实验现象。

（2）用两节电池点亮LED灯 ，导线怎样连接？请在下面画出来。

（3）用两节电池点亮LED灯，观察实验现象。

（4）借助万用表测量LED灯两端的电压，分析LED灯亮和灭的原因。

提示：使用万用表测量LED灯两端的电压时，先将黑表笔插入到com插口中，再将红表笔插入到∨/Ω插孔中根据所测电压的不同档位，一般选择2∨或20∨.

活动汇报：

1、通过测量一节干电池能提供多大的电压？和干电池的标准电压一样吗？

2、通过分析你认为LED灯的亮和灭与哪些因素有关？

3、生活中干电池还可以给哪些家用电器供电？

活动二：土豆能供电吗？

制作：

土豆可以供电吗？制作一个土豆电池，也许你就能找到答案了！

1、准备材料

土豆三个，铜片三个，芯片三个，带鳄鱼夹的绝缘电线5根，LED灯一个，万用表一个

2、

把锌片和铜片分别插在同一个土豆上，确保两种金属在土豆上，彼此不接触。（可以分别用镀锌螺丝钉和5角硬币作为锌片和铜片的替代）

3、用万用表的黑表笔触碰芯片，用红表笔触碰铜片，观察万用表，测量并记录土豆的电压。

4、

改变芯片或铜片插入的深度，再次测量电压，观察电压是否有变化。

思考：

1、 用一个土豆去连接LED灯，LED灯能点亮吗？为什么？怎样才能点亮LED灯，是用更大的土豆？还是用更多的土豆？

2、当你点亮LED灯时，你的电路是什么样的？你能清晰的画出土豆电池LED灯以及它们之间的连接图吗？你知道为什么要这样连接吗？

3、通过实验说一说干电池的结构和土豆电池的结构有哪些相同点和不同点？由此你能说出土豆为什么能供电吗？

4、试着用一个煮熟的土豆去点亮LED灯，看看是否能点亮，你能找到背后的原因吗？

资料阅读：伏打电堆

1799年，意大利人伏达研制出了伏打电堆。伏打电堆是由几组圆板堆积而成，每一组圆板包括两种不同的金属板，每块圆板之间夹放几张盐水浸泡过的布（潮湿的布具有导电功能），这样就能产生连续的电流。在此后相当长的一段时间内，这一发明成为人们获得稳定的持续电流的唯一手段。

1800年，伏打将这一研究成果写成一篇题为《论不同金属材料接触所激发的电》的论文并发表，引起了轰动。

当年，拿破仑在巴黎召见了伏打，现场观看实验后，命令相关部门成立专门委员会，进行大规模电堆实验，同时颁发给伏打6000法郎奖金和一枚荣誉勋章，并且发行的纪念金币。而伏也被作为电压的单位，沿用至今。

思考：

1、土豆电池有什么优点和缺点？

2、如果你制作的土豆电池，有机会参加绿色电池展示会的评比，你将如何给评审官做亮点介绍？

3、对于你的土豆电池，你认为怎样改进会更好呢？

活动三：探秘水果电池的电压

土豆可以发电，水果也可以发电吗？不同水果的发电本领一样吗？我们来做一下研究吧哪种水果电池产生的电压最大？哪些因素影响了水果电池的电压？

1、准备一些水果，比如苹果，李子，橘子，柠檬，山楂

2、使用万用表测量水果电池的电压并将测量结果填入表格中

3、观察测量数据，讨论影响水果电池电压的因素可能有哪些？把它们记下来吧

4、影响水果电池电压的因素可能有很多，水果的甜度和形状可能吗？在你所测试的水果中挑选一种，？改变这两个因素，再次测量水果的电压，你能得出什么结论？

分析这些数据得出的结论是：

思考：

与其他小组交流测试结果，总结影响水果电池电压的因素。

活动四：如何让绿色电池性能更佳？

我们已经对多种水果进行了测量，并找到了能产生最大电压的水果。水果电池的电压太小，不能满足用电需求，那么怎样才能产生更大的电压呢？

1、选择能产生最大电压的水果来点亮LED灯，请分别设计一个串联电路和一个并联电路。

水果电池的串联电路 水果电池的并联电路

2、对着上面的电路图进行电路连接，并用万用表分别测量水果电池串联电路和并联电路中LED灯两端的电压，将数据记录在下表中。通过对比两组数据，你有什么发现？

是不是只有串联后的水果才最适合作为供电电源呢？让我们继续探究吧！

4、用活动三中的几种水果分别制作成水果电池，所需水果个数以串联后刚好能点亮LED灯为准。LED灯点亮后，每隔15分钟测量一次电压，直至LED灯熄灭为止。

4、分析以上测量数据你能得出什么结论？

思考：

1、导致水果电池的电压产生变化的原因是什么？

2、有延长水果电池供电时间的方法吗？

3、水果之所以能导电，是因为果酸起到了电解质的作用，很多液体饮料中也有果酸，这些液体饮料会导电吗？先列出你选择的液体饮料材料清单，然后建模验证你的想法。

三、设计与制作

绿色电池系列产品研发

我们已经探索了很多关于绿色电池的奥秘，现在就来验证绿色电池的可行性，我们以绿色电池展示会的产品要求为目标进行设计、制作，具体要求如下：

1、至少能够带动一个家用电器进行工作。

2、供电时间越长越好。

3、电池材料安全无毒无害且造价成本合理。

4、产品设计新颖，便于携带。

1、在制作过程中需要造型设计师和电路工程师一起配合。造型设计师负责外观设计和制作，电路工程师负责电路设计，请小组人员明确分工，提高工作效率。

造型设计师

电路设计师

2、画出设计草图，在草图中标明电池的材料和电器名称，并用箭头标明电流方向。

3、准备制作电池所需要的材料，制作水果电池模型。

注意：

进行切割操作时需小心使用刀具。

实验过程中使用过的水果和饮料不能使用。

4、在制作绿色电池系列产品时，可能会碰到一些困难，请记录下来并讨论交流，然后写出解决的方法。

四、测试与优化

检测水果电池是否达到了预期效果，如果没有达到请进行检测和修正并画出修改后的电路图。

五、展示与评价

绿色电池展示会

请与小组成员讨论可以从哪些方面评价绿色电池系列产品的优势，制作一张公正合理的评价表，根据评价标准对自己及其他小组的产品进行评价。

绿色电池系列产品评价表

向潜在客户激情洋溢的展示你们的产品，并详细介绍你们的制作过程以及产品亮点。

STEM学习评价

六、拓展与应用

多种多样的发电物质

除了水果、饮料等物品，还有很多东西可以用来发电。

风筝发电

当风筝表面垂直于气流时，风筝的拉力最大，用风筝拖动地面上的卷扬机做功发电。当风筝表面平行于气流时，风筝的拉力最小，卷扬机倒转拉回风筝，风筝间断做功发电。

太阳能发电

太阳能是最原始的能源，地球上几乎所有能源都直接或间接来自太阳能。太阳能是太阳内部或者表面的黑子在连续不断的核聚变反应过程中产生的能量。21世纪太阳能将成为全球主要能源之一。

潮汐发电

潮汐发电是水力发电的一种形式，利用涨潮和落潮时海面的升降取得能量。在涨潮时水库储存海水形成势能。在落潮时水库释放海水利用高低潮位的落差将势能转化为动能，带动水轮机发电。

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