自制导电性测试仪

摘要

为探究物质溶解过程中离子浓度的变化、水分子的解离/溶剂化作用及溶液导电性的影响因素，设计并制作一款简易导电性测试仪。该测试仪由电池、LED灯、电流表、石墨电极等材料构成，能通过LED灯的亮度变化和电流表示数，直观比较不同溶液的导电性强弱。该测试仪适用于物质导电性的演示与对比实验，具有操作简便、现象明显和便于携带等特点。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 实验改进与创新 / 测试 / 溶液导电性实验

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）在“物质的组成与结构”主题的教学策略中提出，应通过实验探究、模型拼插、动画模拟等多种可视化手段和活动形式，充分发挥学生的想象力，引导其从分子、原子等微观视角认识物质及其变化，帮助学生建立宏观与微观之间的联系^［1］。在“科学探究与化学实验”主题中，《课标》建议选择具有探究价值的真实问题，引导学生经历完整的探究过程，注重运用现代技术手段，发展探究活动中的科学思维，并基于科学探究与实践活动建构化学观念，增进学生对化学科学及科学探究本质的理解。

在开展溶液微观粒子认知以及酸、碱等电解质溶液导电性测试等教学活动中，现有实验室配备的导电性测试仪普遍存在体积较大、携带不便、需外接电源等问题，且存在一定安全隐患。此外，该类仪器主要依赖灯泡亮度判断导电性，分辨率较低，难以实现精确的对比分析。受限于学校配备数量，部分教师不得不以播放视频的方式代替学生动手实验。为解决上述问题，笔者利用常见材料，设计并制作了一款小巧便携的导电性测试仪。该测试仪不仅能通过LED灯亮度定性比较物质导电性强弱，而且在亮度差异不明显时，可借助电流表读数进行精确对比，结果直观、准确。该装置具有材料易得、制作简单、成本低廉、安全性高和可重复使用等优点。

1 教具原理及设计思路

1.1 教具原理

教具原理如图1所示。安装电池，闭合开关，将两个石墨电极放入待测物质中，比较LED灯发光强弱和电流表示数，可判断导电性强弱。

1.2 设计思路

（1） 如何将电源微型化。

使用1节体积较小的23 A、12 V电池，并配备1个带开关的电池盒。

（2） 如何选择LED灯。

直径5 mm白色的发光二极管（12 V），与电源适配，发光强弱明显，易观察。

（3） 如何选择电流表。

用数字万用表测试发现，电路通路时的最大电流为12.52 mA，且接入电路的物质电阻大于0，故选用0~20 mA电流表。

2 制作与误差测试

2.1 制作

将仪器连接好并放入废弃酸奶盒中，在盒子侧面打孔，用电工胶布固定直径4 mm、长10 mm的石墨棒。测试仪实物如图2所示。

2.2 误差测试

电池长时间不用或长时间使用，电压都会逐渐减小，而每次教学时的演示实验需持续5～10 s，在实验过程中，电池损耗是否会影响获取的电流数据？针对上述问题，笔者采用一节电压为11.18 V的电池进行供电稳定性测试。测试1 min后，电池电压降至11.10 V，衰减约0.7%（图3）。进一步分析1 min内电流的变化情况可知，在10 s时间范围内，电流波动约为0.8%，表明仪器在短时间内的电流输出较为稳定，不会对测试结果产生决定性影响。

3 应用片段

3.1 验证不同的物质溶解时，存在的形态不同

【提出疑问】人教版化学九年级教材中设置了“试验物质的导电性”及“蔗糖、氯化钠溶于水时微粒不同”等知识^［2］。这些物质的导电性有何差异？

【设计实验】用导电性测试仪分别测试溶液的导电性，并比较亮度、电流的大小（表1）。

【现象描述】通电时，蒸馏水、95%乙醇溶液、蔗糖水溶液LED灯亮度较弱、电流极小，而氯化钠水溶液LED灯亮度强、电流大。

【得出结论】蒸馏水中存在大量水分子；95%乙醇溶液中存在大量乙醇分子和水分子；蔗糖水溶液中存在大量蔗糖分子和水分子；而氯化钠水溶液中除了大量水分子外，还存在钠离子、氯离子。

3.2 部分物质在水分子作用下的电离

【提出疑问】水分子能否促进酸、碱的电离？

【设计实验】通过比较物质在溶解前后的导电性，间接判断水分子是否促进了物质的电离（表2）。

【现象描述】蒸馏水的LED灯亮度极弱，其电流为0.1 mA；柠檬酸颗粒、熟石灰粉末的LED灯均不亮、电流均为0；而柠檬酸溶液、石灰水的LED灯亮度强，电流较大。

【得出结论】在水分子的作用下，柠檬酸颗粒、熟石灰均发生了电离，在溶液中存在自由移动的离子，增强了溶液的导电性，间接证明了“部分物质在水分子的作用下发生了电离”。

3.3 探究不同浓度的同种溶液的导电性

【提出疑问】在探究水的组成的实验中，教材建议在水中加入硫酸钠溶液以增强导电性。由此引发思考：不同浓度的硫酸钠溶液，其导电能力是否相同？

【设计实验】因为硫酸钠在10 ℃时，溶解度为9.1 g，所以溶质质量分数最大约为8.3%。分别配制溶质质量分数为1.0%、3.0%、5.0%、7.0%的硫酸钠溶液50 mL，测试其导电能力（表3）。

【得出结论】通常而言，在一定范围内，物质溶液的浓度与导电性呈正相关，即浓度越高，导电性越强。然而，当质量分数升至一定幅度后，即便再增大，其对导电性提升的效果并不显著。

3.4 二氧化碳溶于水形成的新物质发生电离

【提出疑问】二氧化碳溶于水生成的碳酸能否发生电离并导电？

【设计实验】对比蒸馏水中通入二氧化碳前后的导电情况（表4）。

【现象描述】将电极放入蒸馏水中，LED灯亮度极弱，电流为0.1 mA；通入二氧化碳后，LED灯亮度变亮，电流也增至0.5 mA。

【得出结论】通过测试仪中的LED灯亮度变亮、电流变大可推测，二氧化碳通入水中后，生成了一种电离程度较微弱的物质（碳酸）。

4 结语

在科学研究的进程中，经典理论需要持续、严谨地验证。伴随着社会的持续发展，实验仪器在保持科学性的基础上，逐渐向小巧便携的方向发展。

该测试仪在教学和学习领域具有重要的应用价值和推广意义。仪器的设计充分体现了科学性与实用性的结合，且通过LED灯和电流表的串联，能够检测物质的导电性，并获取实验数据。另外，模块化的设计确保了各元件在损坏时可迅速替换，有力保障了实验顺利开展。利用常见且低成本的材料，使该测试仪易于制作且成本低廉。

在实验操作过程中，该测试仪表现出显著优势。LED灯的亮度变化能够直观呈现物质导电性的强弱差异，当亮度变化不明显时，电流表可精确显示电流数值，从而实现对导电性的准确判断。

这一特性使得它在教学和学习场景中具有广泛的应用潜力，不仅能够用于初中化学实验，帮助学生深入理解不同物质溶解时微粒形态的区别，以及水分子对物质电离的促进作用，还可拓展至金属材料导电性的验证，甚至可在学习物理电学方面提供支持。

此外，在教学实践中笔者也发现，教材中关于纯水、酒精不导电的实验与实际情况存在一定差异。由于现实中难以获得完全纯净的水和酒精，且容器不可能做到无杂质，所以实验数据与理论数据有一定的差异。使用该测试仪进行实验，能够引导学生更加科学地认识到这种差异，培养学生辩证看待知识的能力，提升学生的科学素养和思维水平。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012. （上接第70页）

[3] 在物理实验教学中，引入信息化技术与工具，能够引导学生开展传统方法难以实现的实验项目，或改进原有探究活动中的不足，从而丰富实验课程的内容。同时，这有助于提升学生运用信息化、数字化、智能化技术的能力，并促进跨学科融合学习的开展。

[4] 在具体任务的探究过程中，学生综合运用已有知识与技能，经历合作、协商、方案改进等环节，深化对知识的理解；在动手实践中学会应用知识解决实际问题，提升实践能力与创新意识，逐步养成科学精神与科学态度。

[5] 此外，自主创新实验的设计与实施体现了以人为本的教育理念。通过真实的探究经历，学生的主体性和潜能得以激发，则教学能更好地满足其个性化成长需求^［3］ 。

基金资助

承德市教育科学研究“十四五”规划课题“基于核心素养的理科教学情境设计与实践研究”(2301051)