第十三章

簡單電路第13章

跨學科實踐：調(diào)查電池的發(fā)展并制作水果電池（蘇科2024版）九年級上01教學目標02新知導(dǎo)入03新知講解05典例分析06課堂練習04課堂小結(jié)（蘇科2024版）九年級上01教學目標?1.通過調(diào)查，了解電池的發(fā)展歷程，知道常見電池的類型、特點及應(yīng)用場景。通過制作水果電池，能說出水果電池的基本組成，知道水果電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。2.比較不同類型電池的優(yōu)缺點、適用場景；分析水果電池能夠產(chǎn)生電流的原因；分析影響水果電池性能的可能因素。從不同水果電池的制作和檢測結(jié)果中歸納出水果電池構(gòu)成的一般條件；從電池發(fā)展的歷程中演繹出科技發(fā)展的一般規(guī)律。3.經(jīng)歷“調(diào)查電池發(fā)展”的過程，學習通過多種途徑獲取信息，并對信息進行篩選、歸納和表達。經(jīng)歷“制作水果電池”的科學探究過程，包括提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、交流與合作。02新知導(dǎo)入【情境導(dǎo)入】展示干電池、鋰電池、蓄電池、太陽能電池等各種電池實物，提問：“這些電池里的電是怎么來的？”“你見過用水果做的電池嗎？”干電池蓄電池太陽能電池鋰電池02新知導(dǎo)入

播放“水果電池點亮LED燈”的實驗視頻，引導(dǎo)學生觀察：“視頻中用了什么材料？”“水果電池的結(jié)構(gòu)是什么？”

提出問題，明確任務(wù)：“今天我們要探究‘電池的秘密’，并自己制作水果電池，還要優(yōu)化它讓LED燈亮起來！”03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（一）從生物電到伏打電堆1780年，意大利生理學家伽伐尼偶然發(fā)現(xiàn)，解剖刀觸及青蛙的股神經(jīng)時，蛙腿會猛烈痙攣。后來，物理學家伏打針對這一現(xiàn)象進行一系列實驗研究，發(fā)明了世界上最早的電池——伏打電堆，由此開啟了人類研制電池、使用電池的時代。

如今，隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)對各種電池的需求量與日俱增，技術(shù)要求也越來越高，電池產(chǎn)業(yè)正在不斷發(fā)展壯大。伏打電堆03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程1．查閱相關(guān)資料，深入了解電池的發(fā)展史，思考其中運用了哪些學科的知識。【任務(wù)分工】學生分為4組，每組選擇一個調(diào)查主題（教師提供參考）：主題1：電池的種類與用途（如干電池用于遙控器，鋰電池用于手機）；主題2：電池的工作原理（如干電池的鋅筒作為負極，碳棒作為正極）；主題3：電池的環(huán)境影響（如干電池中的汞污染，鋰電池的回收問題）；主題4：水果電池的理論基礎(chǔ)（如原電池的結(jié)構(gòu)：電極、電解質(zhì)、閉合回路）。03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程1．查閱相關(guān)資料，深入了解電池的發(fā)展史，思考其中運用了哪些學科的知識?！菊{(diào)查方法】每組用分工合作，利用課余時間完成以下任務(wù)：（1）查閱資料，可以借助圖書資料或網(wǎng)絡(luò)；（2）訪談，問家長或老師：“你用過哪些電池？”；（3）用表格或思維導(dǎo)圖總結(jié)，整理信息。03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程1．查閱相關(guān)資料，深入了解電池的發(fā)展史，思考其中運用了哪些學科的知識?！緟R報交流】各小組匯報，教師引導(dǎo)總結(jié)：（1）電池的共同原理：化學能或其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；（2）原電池的核心條件：兩個活動性不同的電極、電解質(zhì)溶液、閉合回路；03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程2．電池的發(fā)展歷程電池種類問世時間及發(fā)明者主要構(gòu)造能量轉(zhuǎn)化特點原電池1800年，意大利，亞歷山德羅·伏特負極：鋅片正極：銀片電解質(zhì)：浸過鹽水的布化學能→電能首次實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化鉛酸電池1859年正極：二氧化鉛負極：鉛電解質(zhì)：稀硫酸化學能→電能第一個可充電的二次電池，開啟了“電池循環(huán)使用”的時代，沿用至今干電池1886年，德國，卡爾·加斯納正極：碳棒負極：鋅筒電解質(zhì)：糊狀氯化銨化學能→電能無泄漏、便于攜帶，電壓約1.5V，能量密度低，但成本極低，至今仍在使用鎳鎘電池1899年，瑞典，瓦爾德馬爾正極：氫氧化鎳負極：鎘電解質(zhì)：氫氧化鉀化學能→電能可充電，能量密度高，體積小，但有記憶效應(yīng)，有鎘污染金屬鋰電池1970年，英國，惠廷厄姆正極：鈦酸鋰負極：鋰電解質(zhì)：液態(tài)有機溶液化學能→電能金屬鋰易與電解質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生枝晶刺破隔膜，導(dǎo)致短路、爆炸等安全隱患鋰離子電池1980s-1991年，美國，古迪納夫＆日本，吉野彰正極：鋰離子負極：石墨嵌入鋰離子電解質(zhì)：液態(tài)有機溶液化學能→電能徹底解決了金屬鋰的安全問題，能量密度是鎳鎘電池的2-3倍，推動了數(shù)碼產(chǎn)品、便攜設(shè)備的革命磷酸鐵鋰電池1997年，古迪納夫團隊正極：磷酸鐵鋰負極：石墨嵌入鋰離子電解質(zhì)：液態(tài)有機溶液化學能→電能更安全，熱穩(wěn)定性好，不易爆炸；循環(huán)壽命長，約2000-5000次，是鈷酸鋰的2-3倍；成本更低03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程3．太陽能電池發(fā)展歷程

太陽能電池的核心是光伏效應(yīng)，即光能直接轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象。其發(fā)展歷程可分為早期探索、硅基主導(dǎo)、薄膜與新型材料迭代三個階段；晶體硅電池占全球光伏市場約85%，仍是主流，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升效率。1960年代：僅用于航天，如美國“阿波羅”計劃，效率可達14%；1980年代：開始進入民用，如偏遠地區(qū)的小型電站；效率提升至18%以上；2000年代：集中式光伏電站興起，如中國西北的大型光伏基地；2010年代：分布式光伏普及，如屋頂光伏、光伏建筑一體化（BIPV），效率突破25%；2020年代：移動光伏，如光伏汽車、光伏背包與光伏制氫，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能存儲，成為新增長點。鈣鈦礦-硅疊層電池效率達33.2%，成為未來高效光伏的核心方向。03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（二）電池的發(fā)展歷程4．新型電池（電池的未來發(fā)展方向）

電池種類主要改進能量轉(zhuǎn)化優(yōu)點前景固態(tài)電池固態(tài)電解質(zhì)（如硫化物陶瓷、聚合物）代替液態(tài)電解質(zhì)化學能→電能更安全，無泄漏、無枝晶，能量密度更高，可使用金屬鋰作為負極

預(yù)計2030年商用鈉電池用鈉代替鋰，正極用普魯士藍或?qū)訝钛趸铮摌O用硬碳化學能→電能成本低，鈉原料便宜；安全，鈉比鋰更穩(wěn)定；能量密度約接近磷酸鐵鋰

大規(guī)模儲能（電網(wǎng)調(diào)峰）、低速電動車燃料電池直接將燃料（如氫、甲醇）的化學能轉(zhuǎn)化為電能化學能→電能如氫燃料電池，產(chǎn)物只有水應(yīng)用：電動車、備用電源金屬空氣電池用金屬（如鋅、鋁）作為負極，空氣中的氧氣作為正極化學能→電能能量密度極高備用電源、長續(xù)航電動車03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（三）調(diào)查生活、生產(chǎn)、交通、通信等領(lǐng)域中用電器所采用的電池的種類【項目要求】調(diào)查生活、生產(chǎn)、交通、通信等領(lǐng)域中用電器所采用電池的種類。查閱相關(guān)資料，了解我國電池研制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新及其對社會發(fā)展的貢獻，了解當前電池行業(yè)面臨的問題以及未來的發(fā)展前景。

電池的選擇需兼顧能量密度、成本、壽命、安全性等因素，不同領(lǐng)域的用電器對電池的需求差異顯著。

各小組匯報調(diào)查結(jié)果，分別介紹具體用電器、電池類型、選擇邏輯等。03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（三）調(diào)查生活、生產(chǎn)、交通、通信等領(lǐng)域中用電器所采用的電池的種類1．生活消費領(lǐng)域：（1）手機、筆記本電腦、平板；（2）手表、助聽器、智能手環(huán)；（3）手電筒、遙控器、玩具；（4）電動牙刷、剃須刀；2．工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域：（1）工業(yè)機器人、AGV（自動導(dǎo)引車）；（2）叉車、重型設(shè)備；（3）醫(yī)療設(shè)備（移動X光機、呼吸機）；3．交通運輸領(lǐng)域：（1）新能源汽車（乘用車、商用車）；（2）電動自行車、電動摩托車；（3）地鐵、有軌電車、電動船；4．通信與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域：（1）手機基站、數(shù)據(jù)中心（備用電源）；（2）衛(wèi)星、航天器、軍用設(shè)備；（3）智能電表、物聯(lián)網(wǎng)傳感器。03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（四）我國電池研制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新及社會貢獻1．關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新（1）鋰離子電池：高容量與快充突破硅負極技術(shù)：提升容量30%-50%（如寧德時代麒麟電池）。高壓快充實現(xiàn)10分鐘充至80%（如比亞迪e平臺3.0）。磷酸鐵鋰優(yōu)化至200Wh/kg（如LMFP材料）。

新型電池：固態(tài)電池解決熱失控問題（如蔚來固態(tài)電池包）。鈉電池循環(huán)壽命3000次（如寧德時代鈉電池）。氫燃料電池功率密度1.5kW/L（如億華通PEM膜）。

智能化BMS：AI算法預(yù)測壽命（如特斯拉模型），IoT實時監(jiān)控（如寧德時代CTP3.0）。

03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（四）我國電池研制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新及社會貢獻2．對社會發(fā)展的貢獻推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)崛起：我國新能源汽車銷量從2015年的33萬輛增至2023年的949萬輛（占全球60%以上），核心支撐是鋰離子電池技術(shù)的突破（如比亞迪的“刀片電池”，解決了磷酸鐵鋰的體積問題）。支撐可再生能源消納（如青海儲能電站）。完善通信基礎(chǔ)設(shè)施（如華為5G基站電池）。提升醫(yī)療國防能力（如邁瑞移動呼吸機電池、天問一號電池）。

03新知講解任務(wù)一、電池的調(diào)查與研究（五）未來發(fā)展前景

新型電池商業(yè)化；原材料替代與回收體系完善；成本下降與規(guī)?；a(chǎn)；應(yīng)用場景擴展；政策與標準支持。

我國電池產(chǎn)業(yè)已從“跟隨者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙I(lǐng)者”，技術(shù)創(chuàng)新（如鋰離子電池、固態(tài)電池、鈉電池）推動了新能源、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展。但仍面臨原材料短缺、回收難題、技術(shù)瓶頸等問題，未來需通過新型電池商業(yè)化、原材料替代、回收體系完善等路徑，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，支撐“雙碳”目標與社會進步。

03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池

【項目要求】自制水果電池。我們可利用某種水果（如蘋果、橙子等）、不同的金屬片（如鐵片、銅片等）和一些導(dǎo)線，參照圖制作水果電池，并開展以下研究：如何知道你制作的水果電池是否有電，正、負極分別對應(yīng)哪個金屬片，電壓是多少？（提示：可以用電壓表測量，也可以用發(fā)光二極管試一試，或者用你所想到的其他方法）

換用其他水果和其他金屬片，并改變金屬片插在水果中的距離、深度，這些操作是否會對水果電池的電壓產(chǎn)生影響？有哪些方法可以增大水果電池的電壓？03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池【方案設(shè)計】1．材料準備：各種水果，如青檸檬、西紅柿和蘋果各1個、銅片、鋅片各1根（均為1厘米寬、5厘米長的長條）、帶夾子的導(dǎo)線若干、發(fā)光二極管、小燈泡、電壓表1個、刻度尺1把。2．猜想假設(shè)：（1）水果電池的電壓可能跟水果的種類有關(guān)；（2）水果電池的電壓跟電極種類有關(guān)；（3）水果電池的電壓跟電極插入它的深度有關(guān)；（4）水果電池的電壓跟電極之間的距離有關(guān)。03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池【方案設(shè)計】3．制作步驟：（1）將青檸檬輕輕揉搓，然后切成兩半，挑選含汁液較多的一半。（2）將銅片和鋅片用砂紙磨光，洗凈，使銅片和鋅片之間距離1cm，分別插入檸檬果肉中，插入深度分別為2cm、3cm、4cm。（3）將電壓表通過導(dǎo)線連接在銅片和鋅片上，閉合開關(guān)，測量電壓的大小，記錄在表一中，并分辨出檸檬電池的正負極。序號水果種類電極材料電極距離/cm電極插入深度/cm電壓/V1

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03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池【方案設(shè)計】（4）控制水果種類和銅片和鋅片插入的深度4cm不變，改變兩個電極之間的距離為1cm、2cm、3cm，分別測出水果電池的電壓大小并記錄在表二。序號水果種類電極材料電極距離/cm電極插入深度/cm電壓/V1

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03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池【方案設(shè)計】（5）用其他水果代替青檸檬重復(fù)以上步驟，控制電極之間的距離和插入深度不變，并把測量的數(shù)據(jù)填入下面表格三中：序號水果種類電極材料電極距離/cm電極插入深度/cm電壓/V1

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03新知講解任務(wù)二、自制水果電池（一）利用生活中常見的水果制作水果電池【歸納總結(jié)】1．表一數(shù)據(jù)可知，同一水果，電極材料和電極之間的距離相同時，兩電極插入的_________不同，產(chǎn)生的電壓不同，具體關(guān)系是：_____________。2．表二數(shù)據(jù)可知，同一水果，電極材料和電極插入的深度相同時，兩電極之間的_________不同，產(chǎn)生的電壓不同，具體關(guān)系是：_______________________。3．由表三數(shù)據(jù)可知，電極的材料相同，兩電極間的距離、電極插入的深度一定時，產(chǎn)生的電壓還與水果的________有關(guān)。03新知講解任務(wù)三、交流與評價【任務(wù)要求】1．以短文的形式介紹一種電池，內(nèi)容包括電池的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及相關(guān)的時代背景。2．向同學介紹自制水果電池的設(shè)計方案，展示自制的水果電池。3．對所介紹內(nèi)容的準確性與完整性等進行評價，對自制水果電池的大水果電池的電壓？原理及相關(guān)的時代背景。使用效果和創(chuàng)新性等進行評價。04課堂小結(jié)05典例分析例1．如圖甲所示，小宇把鐵片A、銅片B插入檸檬，閉合開關(guān)S，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管發(fā)光，電壓表示數(shù)如圖乙所示，則（

）A．AB兩端的電壓為0.5VB．鐵片A是水果電池的負極C．電壓表能提供電壓D．若將二極管兩極對調(diào)后接入電路，也能發(fā)光B05典例分析【答案】B【解析】A．電壓表連接的是小量程，分度值為0.1V，則AB兩端的電壓為0.1V，故A不符合題意；B．電壓表正常工作，說明電壓表連接正確，由圖可知，A與電壓表負接線柱相連，所以是電源負極，故B符合題意；C．水果電池向外輸出電能，可將化學能轉(zhuǎn)化為電能，故C不符合題意；D．發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，所以若將二極管兩極對調(diào)后接入電路，閉合開關(guān)，二極管不能發(fā)光，故D不符合題意，故選B。05典例分析例2．在番茄上相隔一定距離分別插入甲、乙兩片不同的金屬片，即番茄電池。將甲片、乙片與已調(diào)零的電壓表相連，如圖所示。下列說法錯誤的是（

）A．金屬片甲是番茄電池的正極B．番茄電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能C．電壓表直接接在番茄電池上，一定會損壞電壓表D．當番茄電池、導(dǎo)線、小燈泡形成通路后，電流將從金屬片甲流出C05典例分析【答案】C【解析】A．電壓表使用時，電流從電壓表正接線柱流入，從負接線柱流出，由圖可知，電壓表指針反向偏轉(zhuǎn)，所以電壓表的正負接線柱接反了，故甲片是番茄電池的正極，故A正確，不符合題意；B．番茄電池通過發(fā)生化學反應(yīng)，釋放出電能，所以是將化學能轉(zhuǎn)化為電能，故B正確，不符合題意；C．由于電壓表可以直接接在電源兩端，所以電壓表直接接在番茄電池上，不會損壞電壓表，故C錯誤，符合題意；D．當番茄電池、導(dǎo)線、小燈泡形成通路后，由于甲片是番茄電池的正極，所以電流將從甲片流出，故D正確，不符合題意。故選C．05典例分析例3．小明制作的水果電池工作時將化學能轉(zhuǎn)化為__________能對外供電。用電壓表測得該水果電池電壓如圖所示，其大小為__________V。由圖示可知，銅片A是該水果電池的________（選填“正”或“負”）極；小明繼續(xù)用鋁片C代替銅片A，接入電路，發(fā)現(xiàn)電壓表指針偏至零刻度線左側(cè)。據(jù)此你提出的猜想是__________________________________________。電1.5正水果電池的正負極和金屬電極的材料有關(guān)05典例分析【答案】

電1.5正

水果電池的正負極和金屬電極的材料有關(guān)【解析】[1]小明制作的水果電池工作時提供電能，是將化學能轉(zhuǎn)化為電能對外供電。[2]用電壓表測得該水果電池電壓如圖所示，量程是0~3V，分度值為0.1V，其大小為1.5V。[3]由圖示可知，銅片A與電壓表正接線柱相連，且正向偏轉(zhuǎn)，說明銅片是該水果電池的正極。小明繼續(xù)用鋁片C代替銅片A，接入電路，發(fā)現(xiàn)電壓表指針偏至“0”刻度線左側(cè)，說明電極材料改變了，使得電池的正負極改變，據(jù)此能提出的猜想是水果電池的正負極與極板材料是否有關(guān)。05典例分析例4．閱讀短文，回答問題。電動車的電池

放電深度對電動車電池壽命的影響隨著新能源技術(shù)利用的普及，電動汽車已經(jīng)進入千家萬戶，這離不開電池技術(shù)的快速發(fā)展。眾所周知，在使用過程中電池容量會不斷衰減，而電池壽命的結(jié)束并非指電池的容量衰減至0%或者不能用；

電池壽命可以用“循環(huán)壽命”來衡量，是指電池壽命結(jié)束前進行的100%全循環(huán)放電次數(shù)。很多因素都會影響電池的循環(huán)壽命，如電池溫度、充放電電流等。有研究表明，一輛電動車將電池電量從70%用到30%，則這次的放電深度為40%，又用到30%。這次的放電深度就為60%，則這兩次總共完成了1次100%全循環(huán)放電。

研究人員以不同的放電深度，對電動車電池進行充放電循環(huán)研究，得到了電動車電池100%全循環(huán)放電次數(shù)與放電深度的關(guān)系，合理規(guī)劃充放電策略，可以有效延長電動車電池的使用壽命。05典例分析（1）當電池使用一段時間后，電池的總?cè)萘克p到設(shè)計容量的83%，此時_________（選填“是”或“不是”）電池壽命的結(jié)束；（2）在電池放電的過程中，電池外部的電流方向是

_________________（選填“從正極到負極”或“從負極到正極”）；（3）電池循環(huán)壽命指___________________________________________；不是從正極到負極電池壽命結(jié)束前進行的100%全循環(huán)放電次數(shù)05典例分析（4）根據(jù)文章所述，下列使用策略最有利于延長電池的壽命的__________

。A．電池用掉一點電就及時充電B．電池用掉40%的電量時充電C．電池用掉60%的電量時充電D．電池用掉80%以上的電量時再充電B05典例分析【答案】

不是

從正極到負極

電池壽命結(jié)束前進行的100%全循環(huán)放電次數(shù)B【解析】（1）電池的使用是有壽命的，在使用過程中電池容量會不斷衰減，而電池壽命的結(jié)束并非指電池的容量衰減至0%或者不能用，而是指電池總?cè)萘克p到設(shè)計容量的80%或者以下，所以電池的總?cè)萘克p到設(shè)計容量的83%,此時不是電池壽命的結(jié)束。（2）在電