消除質量守恒定律實驗中空氣浮力影響因素的探究

李翠垠

1 探究背景

魯教版（五四制）八年級化學第五單元第一節“質量守恒定律”是初中化學的核心內容，利用實驗探究質量守恒定律是本節的教學重點。在此之前，學生通過對原子、分子的學習和微粒觀的建立，已經能從微觀角度上理解化學反應的實質，認識到化學反應的過程就是原子重新組合的過程，但是還不能將化學反應過程中原子的“三不變”（種類、個數和質量不變）和化學反應前后物質的質量守恒這一宏觀現象聯系起來。特別是在有氣體生成的化學反應中，當學生看到由于浮力的影響而導致天平失衡時，更是百思不得其解，甚至質疑質量守恒定律。鑒于學生產生的認知沖突，筆者引導學生進行消除質量守恒定律實驗中消除空氣浮力影響的專題探究。

2 探究目的

實驗是進行科學探究的有效方法。為了幫助學生從微觀本質和宏觀質量兩個方面準確理解化學反應，在學生頭腦中形成正確的第一印象，筆者將探究活動的重點放在探究質量守恒定律的實驗設計上。原因有三：1）加強科學探究是本次化學課程改革中最突出的特點，完成科學探究的關鍵是對實驗方案的設計，因此在教學中教會學生合理設計實驗顯得尤為重要；2）學生的年齡特點決定了他們對動手實驗的興趣遠遠大于對文字和語言的興趣，他們更喜歡在實驗中獲得成功的體驗；3）研究表明，親身體驗獲得的知識在人的頭腦中易形成永久性的記憶。

3 探究主題

探究質量守恒定律的實驗有多種，其中操作難度較大、容易出現誤差的是有氣體產生的化學反應。在以往驗證質量守恒定律的實驗教學中，對于產生氣體的反應多選擇帶有氣球的密閉發生裝置，這種裝置的最大優點是保證反應體系的質量不損耗，然而卻不能讓學生看到天平依然平衡的直接印象。教師在課堂上往往需要花費不少的時間從浮力的角度來解釋這一現象。通過調查，筆者還發現，由于不同學科的進度問題，目前初三學生還未在物理課上學到浮力的系統知識，教師的解釋在學生面前將顯得十分單薄，致使學生以為教師在尋找借口，自圓其說。因此，筆者將這次探究活動的關鍵定位在如何消除質量守恒定律實驗中空氣浮力因素的影響。

4 探究過程

4.1 課前感知，發現問題

1）設計。指導學生利用錐形瓶、雙孔橡皮塞、玻璃管、氣球、分液漏斗連接成密閉裝置。

2）操作。將氣球套在玻璃管上，將其與分液漏斗分別固定在雙孔橡皮塞上。檢查氣密性后，先在錐形瓶中裝入二氧化錳粉末，塞緊橡皮塞后再向分液漏斗中加入適量的過氧化氫溶液。將裝置置于托盤天平左盤上，調節至平衡，然后打開分液漏斗的旋轉活塞，讓過氧化氫溶液不斷滴入錐形瓶中。

3）現象。學生會看到錐形瓶中產生大量氣泡，氣球逐漸脹大，天平指針向右偏轉。

4）解釋與困惑。因為學生已經學習氧氣的實驗室制法，所以他們很容易明白氣球的脹大是因為氧氣的不斷產生。然而在氣體不泄漏的情況下，為什么天平指針發生偏轉呢？

5）初步結論。學生盡管還不明白浮力，但是經過交流，還是達成這樣的共識：天平的失衡是由于氣球的脹大。

4.2 課堂探究，解決問題

那么，如何讓天平仍然保持平衡呢？這是上課伊始筆者向學生提出的探究任務，也是學生在課前就反復思考的問題。這時候如果讓學生立即進入探究，會“欲速則不達”，因為學生會覺得難以下手，有的可能會貿然去掉氣球，使用帶有分液漏斗的單孔橡皮塞而導致塞子沖出造成意外傷害。所以，筆者采取以下做法。

1）對課前實驗現象作出解釋。首先和學生一起對課前實驗進行深入的分析，補充完善他們的初步結論，指出氣球脹大帶來空氣浮力的增大，就像一只手輕托左盤，使得天平指針向右偏轉。這樣，學生豁然開朗，馬上找準切入點，即想辦法讓脹大的氣球癟下去，消除浮力變化產生的影響因素。

2）指導學生自主探究。①劃分探究小組。將學生6人一組，分成探究小組。分組時盡量優劣互補、男女比例合適，這樣既有利于學生之間的合作，又便于利用學生的好勝心理激發其競爭意識和創新潛能。②各組商討實驗方案。科學探究的中心環節是針對發現的問題進行實驗方案設計。在小組長的帶領下，大家集思廣益，通過討論、查閱資料，設計出能消除空氣浮力變化的實驗方案。在此過程中，學生將感受到團隊的力量遠遠大于個人的力量，同時也學會尊重他人、欣賞他人。③成果展示交流。各小組在交流展示的過程中學會評價實驗方案，找出自己的得與失，在比較中不斷進步。

3）歸納實驗方案。在大家的努力下，學生在原來的實驗基礎上設計多種實驗方案，有的原理雖然正確，但由于托盤天平的托盤太小或其他客觀因素，而難以操作；有的設計合理，操作方便，其中比較成功的實驗方案有3種、①氧氣轉移法。反應前向左盤中添加注射器，調節天平平衡；反應后，用注射器抽取氣球內的氣體至氣球癟下去。觀察天平是否平衡。原理：將氧氣裝移到不易變形的容器中，消除因變形而帶來的空氣浮力變化。②氧氣消耗法。事先在雙孔橡皮塞上固定一個燃燒匙，反應前就在燃燒匙里裝上適量的白磷，調節天平平衡；反應結束后，用凸透鏡匯聚太陽光照射白磷使其燃燒，冷卻至室溫后，觀察天平是否平衡。原理：白磷的著火點很低（40 ℃），聚光法可使其燃燒，且燃燒時消耗大量氧氣，使得氣球癟下去。③膠頭滴管法。將雙孔橡皮塞換成單孔橡皮塞，塞子上固定一只膠頭滴管（事先吸取一定量的雙氧水），調節天平平衡；將膠頭滴管內的雙氧水全部緩緩滴加到錐形瓶中。反應結束后觀察天平是否平衡。原理：膠頭滴管中的液體排空后可以吸收一定量的氣體，而又不會引起膠頭滴管的外形改變。

4.3 反思過程，總結提高

針對以上實驗方法，教師引導學生進行認真反思，找出注意事項。1）使用注射器時要控制好藥品用量，避免出現注射器容積小于氣體體積的情況；2）白磷要足量，以確保氧氣可以消耗掉，并且為了讓氧氣與白磷充分反應，可以用手將氣球中的氣體擠壓到錐形瓶中；3）使用膠頭滴管法的時候，反應瓶的容積不要太小，以免因瓶內氣體的增加而使塞子被彈出；4）實驗時完全可以將錐形瓶換成廣口瓶或平底燒瓶，但不宜換成試管，因為難以將試管固定在托盤天平的托盤上。

4.4 鼓勵評價

不要吝嗇贊美的語言，評價應以贊揚和鼓勵為主。因此，教師應以極大的熱情贊揚學生在探究過程中所付出的努力、取得的成績以及表現出來的嚴謹求實、互助合作的態度。同時對那些因實驗器材等客觀因素而無法完成的實驗設計也要給予充分的肯定，認可其正確的思維，鼓勵其自主探究的學習方式，增強學生的自信心。

5 探究反思

興趣是最好的老師。學生自己發現的問題更能激起他們的探究欲望。在教學中要積極給學生創設發現問題的機會，鼓勵他們合作探究，幫助他們尋求解決問題的方法，真正成為學生學習的對話者、合作者、指導者。另外，探究實驗最好切合學生的知識增長點，從學生已有的知識和經驗出發，制造“憤悱”之機，引導學生用已知解決未知，不可過多補充其他知識，否則會讓學生失去探究興趣。因此，探究質量守恒定律的實驗設計要從學生知道的化學反應入手，而不宜使用其他學生未知的化學反應。另外，在學生探究過程中，一定要注意培養學生的安全意識、環保意識，不宜采用產生易燃易爆氣體、有毒氣體等的化學反應。

澳大利亞教育家比洛斯提出：只有當學生積極想學而又懂得怎樣學習時，才能取得理想的結果。組織小組學習，最重要的是調動起學生強烈的學習愿望。這就需要教師必須更新觀念，改變教學方法，把學生看做學習的主人，除了設計符合學生認知水平的探究主題外，還要有適當的方法指導，使學生能通過自己的努力獲得探究的成功，讓愉悅的成功感成為自主學習的動力。