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能量转移2:电化学

你需要的东西

材料

每组学生:

  • 一个大的,新鲜的柠檬,如照片上所示,它被切开了几道口子柠檬电池在希拉科学营的网站上
  • 镀锌钉子(最好没有生锈)
  • 一分钱(最好是未经明确的)
  • 铜线两端有鳄鱼夹
  • 电压表
能量转移2:电化学

目的

通过加深学生对电子转移及其在化学变化中的作用的理解,帮助学生了解更多的电化学知识。


上下文

本课是能源转换系列课程的第二课。这三堂课的总体目的是增进学生对能量转移、它在化学变化中的作用以及影响这种变化的因素的理解。此外,每节课都有特定的目的。能量1或2的转移可以按任意顺序进行;但是,建议在能量3的转移之前先进行能量1和2的转移。

能量转移1:热化学旨在增加学生对热和化学反应的理解。

《能量转移2:电化学》旨在加深学生对电子转移及其在化学变化中的作用的理解。

《能量转移3:锈与腐蚀》通过接触他们在生活中观察到的过程,加强学生对热化学和电化学的理解。本课让学生了解在锈蚀和腐蚀的化学变化过程中,能量是如何传递的,以及影响这一过程的因素。

到小学结束时,学生应该知道关于能量转换的几个要点。学生应该知道,当温度较高的物体与温度较低的物体放在一起(相距较远或相邻)时,温度较高的物体会将内部能量(以热的形式释放出来)传递给温度较低的物体,直到它们都达到相同的温度。他们应该明白,发出热量的东西也能发出其他种类的能量,包括光。任何时候一个物体与另一个物体摩擦都会产生热量无论是机械还是电机。学生也应该知道有些材料比其他材料更能传递热能(导体差的材料会减少物体热量的传递)。

这种先决条件知识有助于中学生学习以下四个关于能源转型的四点:

  • 能量不能被创造或毁灭,而只能从一种形式变为另一种形式。
  • 宇宙中的大部分事情 - 从爆炸星星和生物生物增长到机器的运作和人们的运动 - 涉及某种形式的能量被转化为另一个形式。热量的能量几乎总是能量变换的产品之一。
  • 热可以通过原子碰撞的方式在物质中传递,也可以通过辐射的方式在空间中传递。如果材料是流体,就会在其中形成电流,帮助传热。
  • 能量出现不同的形式。热能在分子的无序运动中;化学能量处于原子的排列;机械能处于动身体或弹性扭曲的形状;引力能量在分离相互吸引的肿块中。

在这个早期阶段,学生们可能对能源和能源的概念有一些混淆。把注意力集中在能量转换上也许能在某种程度上解决这个问题。食物,汽油和电池显然会被用完。但是它们所包含的能量并没有消失;它通过物理或化学过程转变成其他形式的能量。

最适用于电化学的研究显示了以下关于热、温度和化学变化的信息:

能量概念化
在传统教学之前甚至之后,学生对“能量”的理解与科学定义都有很大的不同。例如,一些学生认为,能量只与人类或运动有关,是一个燃料一样的量,被使用,或是使事情发生,并在过程中消耗的东西。很少有学生认为能量是可以测量和量化的。各个年龄段的学生对能量都有这样的理解。

能量的形成和转化
初中生和高中生倾向于认为能量转换一次只涉及一种形式的能量。虽然他们发展了一些识别不同形式能量的能力,但在大多数情况下,他们对能量变化的描述只关注具有可感知效果的形式。运动向热的转变似乎很难让学生接受,特别是在温度没有明显上升的情况下。最后,一些学生不理解一些形式的能量,如光、声音和化学能,可以用来使事情发生。

化学变化
初中生和高中生在思考化学变化时,往往会被他们所能想象到的变化的明显特征所支配。例如,一些学生认为,当某物在一个封闭的容器中燃烧时,它会更重,因为他们看到产生的烟。相反,有些学生不认为化学变化是相互作用,特别是当一个反应中的能量转移是看不见的。学生也没有意识到物质可以由原始物质中的原子重新组合而成。相反,他们认为化学变化是原始物质单独变化的结果,或者是几个原始物质单独变化的结果。例如,一些学生认为木头燃烧时形成的烟是被火焰从木头里赶出来的。

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动机

正如上下文部分所指出的,研究表明学生对热、温度和化学变化有许多误解。例如,学生很少认为能量是可测量和可量化的,他们倾向于将能量与生物联系起来。研究还表明,学生很难理解一些形式的能量,如光,可以用来使事情发生,学生不把化学变化视为相互作用,特别是当能量在一个反应中是无形的转移。

作为帮助克服这些误解的起点,问学生这些问题。

注1.:您可能想在这些问题之前提出一些更简单的问题。
笔记2:在这些问题中,指出一些学生在理解上有问题的“观点”可能会有所帮助。例如,在第一个问题中,你可以指出这种能量与无生命的东西有关,或者电能导致“事情发生”。

  • 例如,在电灯泡里,电能是怎样变成光的?
    (电能激发灯丝中的原子,这些原子反过来以光的形式辐射出多余的能量。)
  • 与进入灯泡的电能相比,有多少是以光的形式发出的呢?大于,小于,或等于初始量?
    (少,因为在无法创造或破坏能量时,一些能量也被辐射为热量。)

使用电池的工作原理学生esheet,学生将去电池的工作原理在工作原理网站上。学生表格将指导学生回答这些问题。学生完成后,与全班同学讨论答案。

  • 电池的两个端子是什么?电子向哪个方向流动?
    (两个终端是负极且阳性的。电子从负面流到正。)
  • 我们在我们的日常生活中可能看到电池中发生的相同反应?
    (无论电解液 - 是否可以传递电子接触两种不同类型的金属的物质,发生反应。差异可能不是很大的事实,金属内的小杂质可能导致电子从金属的一个部分移动到another, with one section acting as the positive terminal, and the other as the negative terminal. This reaction leads to corrosion—the gradual destruction of a metal by chemical means. When iron is oxidized, it rusts [e.g., an outdoor nail]; when silver is oxidized, it tarnishes [e.g., real silverware]; when copper is oxidized, a green coating forms on the surface [e.g., plumbing]. Yet another example is in our own mouths, when aluminum foil comes into contact with dental fillings, a mixture of several different metals. The "tingle" one may feel is actually a small electrical current! Feel free to mention rusting as an example. Rusting involves a transfer of electrons from the iron which rusts to either another metal or even another point on the iron. This is the same type of reaction that occurs in a battery!)

发展

使用学生eSheet来指导他们,学生将执行柠檬电池在希拉科学营网站上发现的实验。通过了柠檬电池学生在上网之前给学生。指导学生遵循纸上的方向,以制作自己的柠檬电池。

学生们应该两人一组做一块柠檬电池。然后,学生应该组成更大的小组来测试由一个以上柠檬组成的电池。学生完成活动后,与全班同学一起复习学生表上的问题。你可以参考柠檬电池答题纸。


评估

就柠檬电池实验问学生以下问题:

  • 柠檬本身在电池中起什么作用?
    (柠檬是电解质,它将电子从钉子转移到便士。)
  • 下列哪一种水果可以提供良好的电解质,哪一种不能:香蕉、酸橙、西红柿?
    (由于香蕉的酸度较低,它会产生较差的电解质。由于番茄和酸橙含有丰富的酸,它们可以提供很好的电解质。)

让学生写下他们认为是本课的重点。让学生分享。这节课的目的是通过帮助学生更好地理解电子转移及其在化学变化中的作用,来增加学生对电化学的理解。


延期

跟随这一课到能量转移系列的第三课:能量转移3:防锈与腐蚀


电化学实验在有趣的科学画廊网站上有其他活动,可以用来加强或进一步发展本课的观点。


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课程细节

成绩 主题 类型 2061项目的基准 国家科学标准

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