測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的活動(dòng)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629(2010)04-0045-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1、內(nèi)容說明

這是義務(wù)教育華師大版初中科學(xué)(七年級(jí)下)第二章《空氣》第2節(jié)空氣的成分中的一個(gè)活動(dòng)內(nèi)容。

2、設(shè)計(jì)思想

教學(xué)用書明確指出“測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”是由教師完成的演示實(shí)驗(yàn)。演示時(shí)教師拿一只劃有5條線的鐘罩，先拔去鐘罩上帶有燃燒匙的橡皮塞，把鐘罩放入水槽，向水槽灌水至水面與最末一條線持平為止，在燃燒匙上放上兩粒黃豆大小的干燥的紅磷。在酒精燈上點(diǎn)燃后，迅速放人鐘罩內(nèi)，反應(yīng)完畢待裝置完全冷卻后如看到水面剛好上升至倒數(shù)第二條線附近，就認(rèn)為該演示實(shí)驗(yàn)成功。這是一個(gè)經(jīng)典的演示實(shí)驗(yàn)。如何深入地挖掘其教育價(jià)值?《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：技術(shù)設(shè)計(jì)能力是技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐能力的重要組成部分。必須注重從義務(wù)教育階段開始培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力…。能不能將此實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)切入點(diǎn)，嘗試培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力呢?

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生是具有創(chuàng)造性思維的個(gè)體。教師按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律巧妙地將其引入到自覺的學(xué)習(xí)心理狀態(tài)中，并給他們充分自由的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，那么學(xué)生在自主的學(xué)習(xí)探究過程中一定會(huì)有較多的收獲。

鑒于學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)會(huì)有如下的疑惑：①為什么要用這樣的實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)?②為什么選用紅磷作為反應(yīng)物?③為什么會(huì)想到用鐘罩?④為什么事先要在鐘罩表面劃上5條線?針對(duì)學(xué)生的疑問，我把這個(gè)南教師做、學(xué)生看的演示實(shí)驗(yàn)，大膽地改成不斷解惑的探究活動(dòng)。開設(shè)成一堂實(shí)驗(yàn)方案和裝置設(shè)計(jì)的探究課。

3、教學(xué)過程

師：請(qǐng)你回憶一下，如何測(cè)稻谷籽粒中的含水量’

生：通過對(duì)稻谷籽粒加熱的方法，把稻谷籽粒中的水分趕走，利用天平測(cè)出原稻谷籽粒的總質(zhì)量m和趕走水分后的稻谷籽粒的質(zhì)量m₁，，即可測(cè)出稻谷籽粒中的含水量(m-m₁)/m。

師：這節(jié)課我們要來測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，我們?cè)撛趺礈y(cè)定呢?

生：把空氣中的氧氣趕跑。

師：怎樣才能把空氣中的氧氣趕跑呢?而且你還要知道趕跑的氧氣體積呵。

生：取一只開口的塑料瓶，用力吸氣，瓶子會(huì)變扁，少掉的體積就是氧氣的體積。

生：這種方法不對(duì)，因?yàn)槿宋氲氖强諝?，而。不是氧氣，再說我們無法吸盡瓶?jī)?nèi)的氧氣。

生：降低溫度使氧氣液化，從而把氧氣從空氣中分離出來。

生：這種方法非常不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氧氣的液化溫度為-183℃，這樣的低溫條件實(shí)驗(yàn)室很難實(shí)現(xiàn)。

師：說得非常不錯(cuò)，我們所想到的方法首先應(yīng)是在我們目前這樣的條件下能實(shí)施的。另外由于二氧化碳在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為78.5℃，因而氧氣液化時(shí)，其他一些氣體也液化了。鑒于以上兩點(diǎn)，所以液化的方法不可行。(學(xué)生陷入了深思)

生：我想到啦!通過燃燒將氧氣消耗掉。

師：這個(gè)方法不錯(cuò)，那應(yīng)選用什么物質(zhì)燃燒來消耗掉氧氣呢?

生：可以用碳燃燒。

生：可以用硫燃燒。

生：可以用磷燃燒。

生：可以用鎂燃燒。

師：那到底選用什么物質(zhì)呢?請(qǐng)你結(jié)合它們各自燃燒后的生成物來思考。

生：碳燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，硫燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化硫氣體。這些氣體會(huì)填補(bǔ)氧氣少掉的體積，使我們無法測(cè)定究竟少了多少體積的氧氣。所以不能選用碳和硫這兩種物質(zhì)作為反應(yīng)物。

師：說得太有理了。那我們能不能選用鎂作為反應(yīng)物呢?

生：可以啊。因?yàn)殒V燃燒時(shí)生成固體物質(zhì)氧化鎂。

師：其實(shí)，鎂燃燒時(shí)在消耗氧氣生成固體物質(zhì)氧化鎂的同時(shí)還會(huì)與空氣中的氮?dú)夂投趸及l(fā)生反應(yīng)，而且生成物也都為固體物質(zhì)。所以，不能選用鎂這種物質(zhì)作為反應(yīng)物。

師：可見，所選用物質(zhì)燃燒時(shí)應(yīng)具備哪些特點(diǎn)?

生：燃燒時(shí)既要能夠消耗掉氧氣，又不能與空氣中的其他氣體發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生新的氣體。

師：同學(xué)們歸納得太好了!那我們?cè)撨x什么物質(zhì)呢?

生：我們可選擇紅磷作為燃燒物質(zhì)。因?yàn)榧t磷燃燒時(shí)既能夠消耗掉氧氣，又不會(huì)與空氣中的其他氣體發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生新的氣體。

師：為了準(zhǔn)確地知道一個(gè)容器中氧氣的體積，我們應(yīng)當(dāng)將這個(gè)容器中的所有氧氣耗盡。怎樣才能保證能將氧氣耗盡呢?

生：投放的紅磷要過量。

師：完全正確。但也不是越多越好，一定要注意節(jié)約資源呵。

師：接下來我們應(yīng)當(dāng)拿一個(gè)怎樣的裝置來進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?(學(xué)生再次陷入了深思)

師：(老師拿出一只敞口的5升食用油壺)我在燃燒匙上放上兩粒黃豆大小的干燥的紅磷，在酒精燈上點(diǎn)燃后，迅速放入食用油壺內(nèi)，這樣可以完成實(shí)驗(yàn)嗎?(如圖1所示)

生：不可以。因?yàn)楫?dāng)紅磷燃燒時(shí)在消耗氧氣的同時(shí)還會(huì)放熱，可能會(huì)使氣體從敞口的食用油壺中逸出。

師：這簡(jiǎn)單，加上瓶塞不就行了嗎?(如圖2所示)

生：老師這樣還是不行。因?yàn)橄牡难鯕獾牧亢茈y知道。

師：(演示吸墨水時(shí)的動(dòng)作)請(qǐng)大家回想吸墨水時(shí)你所做的動(dòng)作：你會(huì)擠出一部分空氣使吸管內(nèi)氣壓減小。再把它放在敞口墨水瓶中，墨水就會(huì)在大氣壓的作用下順著吸管吸入鋼筆中。你擠出多少體積的氣體就會(huì)有多少體積的墨水進(jìn)入鋼筆。請(qǐng)你對(duì)裝置作進(jìn)一步的改進(jìn)。

生：把圖2裝置的底割掉，再把它放入水槽中，這樣一來，消耗掉多少體積的氧氣就有多少體積的水進(jìn)入此裝置。(如圖3所示)

師：太好了!現(xiàn)在總結(jié)一下。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)當(dāng)具備哪些要求呢?

生：容器要密封。同時(shí)要能直觀反映出氧氣減少的體積。

師：所以在實(shí)驗(yàn)室里我們是用鐘罩來完成此實(shí)驗(yàn)的。因?yàn)榧t磷燃燒時(shí)會(huì)放出熱量，而塑料瓶受熱易變形，甚至有可能被燒毀而漏氣。

師：請(qǐng)問我們?cè)鯓觼頊y(cè)出鐘罩內(nèi)原空氣的體積和消耗掉的氧氣的體積呢?

生：(學(xué)生討論后)反應(yīng)前以水面為基準(zhǔn)在鐘罩外壁作一個(gè)記號(hào)稱基準(zhǔn)線1，反應(yīng)完畢待裝置完全冷卻后再次以鐘罩內(nèi)水面為基準(zhǔn)在鐘罩外壁上作另一個(gè)記號(hào)稱基準(zhǔn)線2。把鐘罩從水槽中取出并倒置，向其中灌水至基準(zhǔn)線1，借用量筒測(cè)得水的體積V₁，即鐘罩內(nèi)原有空氣的體積。同時(shí)，向其中灌水至基準(zhǔn)線2，借用量筒測(cè)得水的體積V₁。那么消耗掉的氧氣的體積就為V₁-V₂。空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)就為(V₁-V₂/V₁。

師：這個(gè)構(gòu)思實(shí)在是太巧妙了!而且操作起來又簡(jiǎn)單方便。

師：現(xiàn)在我們可以來測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)了吧。同學(xué)們請(qǐng)動(dòng)手來做一做：測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)到底是多少?

學(xué)生親身體驗(yàn)。

師：剛才，我們用先除去氧氣，再根據(jù)壓差再現(xiàn)氧氣體積的方法成功測(cè)出了空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。請(qǐng)問，我們能否用同樣的方法來測(cè)定空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)呢?

生：可以。只要找到一種能與二氧化碳反應(yīng)并生成固體物質(zhì)，但又不與空氣中其他成分反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，就可用同樣的方法達(dá)到目的。

師：由于空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為0.03％，雖然該方法理論上可行，但實(shí)際操作時(shí)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)誤差又大，故不宜采納。

師：既然用體積法測(cè)定會(huì)有很大誤差，我們不妨用質(zhì)量法測(cè)定。用過量的氫氧化鋇溶液與集氣瓶空氣中的二氧化碳作用，通過測(cè)得的碳酸鋇沉淀質(zhì)量計(jì)算出吸收的二氧化碳質(zhì)量，再結(jié)合密度知識(shí)，可求出吸收的二氧化碳的體積，吸收的二氧化碳的體積除以總的集氣瓶體積，即得出空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)。

師：利用類似的方法，科學(xué)家測(cè)出了地球上空氣中各成分的體積分?jǐn)?shù)。由于目前地球上人口的不斷加劇，資源的日漸匱乏，再加上太陽已處在中年鼎盛時(shí)期，我們?nèi)祟愑斜匾獙で笠粋€(gè)能承載地球生命模式的生命星球。在茫茫宇宙中要物色這樣一個(gè)星球談何容易，其中對(duì)該星球大氣層中各成分的鑒定和體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定就顯得尤為重要。

師：通過今天的學(xué)習(xí)，我們已會(huì)測(cè)定未知星球上氣體成分的體積分?jǐn)?shù)，如科學(xué)家用類似的方法已測(cè)得火星大氣主要成分是二氧化碳，其體積分?jǐn)?shù)是95％；其次是氮?dú)猓?.7％等等。

4、教學(xué)后記

在義務(wù)教育階段，如何培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力，將《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》落到實(shí)處，是一個(gè)值得探究的新課題。事實(shí)證明，引導(dǎo)學(xué)生參與到演示實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)中來，是可操作的。當(dāng)然，完全放手讓學(xué)生去設(shè)計(jì)一個(gè)理想的演示實(shí)驗(yàn)裝置是不現(xiàn)實(shí)的。所以，在科學(xué)課堂上讓學(xué)生經(jīng)歷的設(shè)計(jì)過程往往是不完整的，而且需要教師提供適當(dāng)?shù)膸椭渲幸舶ń處熐擅畹攸c(diǎn)撥去化解學(xué)生遇到的難題，如本例中教師做吸墨水的示范動(dòng)作并講述就起到了這樣的作用。

開展實(shí)驗(yàn)方案和裝置的設(shè)計(jì)教學(xué)，可使學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法以及分析和解決問題的能力方面得到培養(yǎng)和訓(xùn)練。作業(yè)本中P19頁上有這么一題：一只集氣瓶，加塞密封，中間插燃燒匙，匙內(nèi)放少量紅磷，把此瓶放在天平的一端，調(diào)整天平平衡。然后，拔出塞子點(diǎn)燃紅磷后，立即插入瓶?jī)?nèi)，塞緊、密封。燃燒結(jié)束后，稍等一會(huì)兒，將瓶塞打開再塞緊，天平還平衡嗎?為什么?當(dāng)批閱作業(yè)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)所有學(xué)生的結(jié)論都是正確的。即天平不再平衡了。但絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為，當(dāng)瓶塞打開時(shí)進(jìn)去的氣體是氧氣，也有少數(shù)同學(xué)認(rèn)為，當(dāng)瓶塞打開時(shí)進(jìn)去的氣體是空氣。在講評(píng)作業(yè)時(shí)，我沒有直接評(píng)判對(duì)錯(cuò)，而是讓學(xué)生闡述他們各自回答的依據(jù)。一方學(xué)生回答說：“剛才消耗掉的氣體是氧氣當(dāng)然缺啥就補(bǔ)啥唄。”另一方的學(xué)生反駁說：“當(dāng)紅磷燃燒后，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，在大氣壓的作用下進(jìn)去的氣體當(dāng)然是空氣了，因?yàn)榭諝庵械难鯕馐遣粫?huì)自動(dòng)分離的?！彪p方學(xué)生代表爭(zhēng)論得相當(dāng)劇烈，突然教室里這樣的話語四起：

“做做實(shí)驗(yàn)就可以作出判斷的”、“讓實(shí)驗(yàn)告訴我們答案吧!”……更令人欣慰的是，馬上就有學(xué)生設(shè)計(jì)出了這樣的實(shí)驗(yàn)方案：用橡皮塞中帶有燃燒匙的鐘罩代替集氣瓶。按照題意操作，然后，測(cè)定塞子打開再塞緊后鐘罩內(nèi)的氧氣的體積分?jǐn)?shù)，就可以判斷進(jìn)入鐘罩的氣體是氧氣還是空氣。由此，引出了當(dāng)天的興趣實(shí)驗(yàn)作業(yè)，學(xué)生分小組實(shí)驗(yàn)后測(cè)出鐘罩中的氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于20％，最終得出正確的結(jié)論：進(jìn)去的是空氣而不是氧氣。當(dāng)幾乎所有的學(xué)生正陶醉在自己的成功之中時(shí)，班上有一位同學(xué)竟提出了這樣的疑問：“我在書上看到的空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為21％，但我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為20％。我想是不是因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)裝置還不夠好?因?yàn)槭孪纫c(diǎn)燃紅磷瓶要打開鐘罩的橡膠塞才能放入，雖然后來的密封性能較好，但打開的那一瞬間應(yīng)該會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論?！蓖瑢W(xué)們紛紛議論并認(rèn)為他言之有理。于是，又引出了新的話題：“進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，要求實(shí)驗(yàn)裝置始終密封?！蓖瑢W(xué)們經(jīng)過一番劇烈討論，最終設(shè)計(jì)出了以下兩種實(shí)驗(yàn)方案。方案一：把紅磷換成白磷(必須注意安全!)，把塑料水槽換成可加熱的容器，其他步驟都與原先相同，但要求事先盛水容器中的水面能浸沒白磷，以確保此時(shí)白磷不燃燒。實(shí)驗(yàn)時(shí)，慢慢地給盛水容器加熱直至白磷的著火點(diǎn)40℃，此時(shí)再用導(dǎo)管引出一部分水直到白磷露出水面燃燒為止。此方案相對(duì)簡(jiǎn)單易做，并且能盡量減少誤差，經(jīng)實(shí)踐得出相對(duì)較為正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21％。方案二：所有裝置都不變，但要求點(diǎn)火過程能自動(dòng)完成，即用電火花引燃。此方案設(shè)計(jì)巧妙，但由于學(xué)生還沒有學(xué)過《電學(xué)》，所以此方案到目前為止僅為一設(shè)想，但學(xué)生們還在努力之中。我想，作為教師大膽地花那么多時(shí)間來上本來只需幾分鐘即可完成的演示實(shí)驗(yàn)，表面上看似勞命傷財(cái)，實(shí)際上非常值得。因?yàn)槲殷@喜地發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們開始有了一種主動(dòng)思考與動(dòng)手實(shí)踐的愿望與行動(dòng)，懂得做任何事情都應(yīng)追求更好的方法，這種方法現(xiàn)在是改進(jìn)，將來也許就是創(chuàng)造。這次活動(dòng)也使我增添了信心，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)設(shè)計(jì)能力，教師是大有可為的。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制訂，全日制義務(wù)教育科學(xué)(7-9年級(jí))課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)[s]，北京師范大學(xué)出版社，2001，42