对探究空气成分实验的思考与改进

来源:用户上传      作者:陆益锋

　　摘要：华师大版科学教材上的“探究空气的成分”活动，虽仪器简单、操作简单、现象也明显，但存在会污染环境、测量误差大、可视性不高等问题。为此，笔者另加了铁架台、针筒、红墨水、电阻丝、学生电源、电流表等一些实验室常用的器材，采用针筒内水量的变化与原等份法一起测量、点燃方式改为“电阻丝通电的内引燃”、实验前后保持针筒内液面与集气瓶内液面相平、集气瓶倒置的状态下使用红墨水染色后的水能形成喷泉现象等方面进行了改进，减小了实验误差更具有说服力，同时使该实验更好的激发了学生的兴致。
　　关键词：空气的成分;实验;改进
　　华师大版（2012）七年级科学下册P52，第二章第2节《空气的成分》中“探究空气的成分实验”（如图1），在实际的操作过程中发现该实验存在以下缺陷：（1）集气瓶的容积很难平分成5等份，会影响实验结果;（2）红磷在酒精灯火焰上点燃，产生有毒物质P2O5会污染大气及威胁到实验者与观察者;（3）将点燃的红磷送入集气瓶的过程中，会使一部分瓶内的空气逸出，影响实验结果的可靠性和说服力;（4）要立即塞紧橡皮塞，装置的气密性可能很难保证;（5）导管中空气等打开止水夹时会被压入瓶内，会导致测量结果变小;（6）因为要等冷却后，再打开止水夹，试验时间长;（7）当烧杯中的水不再沿导管进入瓶中时，导管内会存在一段水柱，这样会使瓶内剩余气体的压强小于燃烧前瓶内空气压强（等于外界大气压），即剩余空气处于膨胀状态，使测量结果变小;（8）整个实验的可视度、观赏性与震撼程度稍欠火候。
　　为此，针对实验中碰到的问题，我通过查阅大量资料与反复试验后做了以下改进：（1）采用针筒内水量的变化与原等份法一起测量，增强说服力;（2）点燃方式改为“电阻丝通电的内引燃”这样避免了有毒的P2O5飘散到空气中，同时也避免了瓶内的空气跑出和保障了装置的气密性;（3）实验开始前，在导管中灌满水，避免原导管中空气对实验的影响;（4）在瓶底上方放一团湿棉球，起到冷却作用，进而缩短了实验的时间;（5）冷却后打开止水夹，当水不再进入瓶内时，将针筒升到一定高度，使针筒内液面与集气瓶内液面相平。即使燃烧前后的瓶内气压不变。（6）集气瓶倒置的状态下，用红墨水染色后的水能形成喷泉现象，易于观察，增加可视度。
　　一、实验的原理
　　磷燃烧消耗瓶内氧气，生成白色固体，冷却后瓶内压强小于外界大气压时会产生压力差，促使液体流入容器内，及体现了等效替代的科学方法。
　　二、实验器材与实物图（如图2）
　　红磷、药匙、烧杯、铁架台、铁夹、集气瓶、
　　橡皮塞、滴管、针筒、红墨水、橡皮管、玻璃导管、
　　水、止水夹、燃烧匙、两根硬铁丝、电阻丝、学生
　　电源、开关、导线若干、老虎鉗、水槽、电流表等。
　　三、实验步骤
　　1.按图2装好装置，倒置的状态下，在导管中灌满水，并打开止水夹检查气密性。
　　2.将红磷放在燃烧匙中，至盖住电阻丝，将橡皮塞倒塞入集气瓶。
　　3.闭合学生电源的开关。观察集气瓶内的变化。
　　4.到反应停止后，在瓶底上方放一团湿棉球，冷却装置至室温。
　　5.打开夹子。观察集气瓶内变化。
　　6.等水不再进入瓶内时，将针筒升到一定高度，使针筒内液面与集气瓶内液面相平。最后从瓶上的等分线可知进入集气瓶的水体积占集气瓶的1/5，并结合看针筒中减少的水的体积，就知道了瓶内氧气的体积，再次得出集气瓶空气中氧气的体积分数。
　　四、达到的效果
　　1.利用压强差形成喷泉很直观形象，激发了学生的兴趣。
　　2.双重数据相结合，减小了实验误差，更具说服力。
　　五、仍存在的问题及后续改进方向
　　1.用激光点火等多种方式，让学生叹为观止。
　　2.尝试利用具支试管，橡皮管和止水夹构成一个密闭的系统，用酒精灯加热等。最终设计开发出器材简单易操作，经济、安全、污染少，效果好的学生实验装置。
　　参考文献：
　　[1] 《科学学习中100个疑难问题》.郑青岳等.浙江教育出版社.
　　[2] 《基于“轻负高效”的初中科学生活化实验资源库建设》.金可泽.
　　[3] 《从过程与方法维度重构实验教学》王荣桥（教学与管理）2016年3月1日.
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