物質導電性實驗裝置的創新設計與應用價值

鄭懷舟

物質導電性實驗裝置的創新設計與應用價值

鄭懷舟

導電性是物質的一種重要性質，是初中科學和高中化學教學的重點內容。初中科學的電解質與非電解質概念、導體與絕緣體概念、高中化學的強電解質與弱電解質概念，都是在物質導電性實驗基礎上形成的。物質導電能力強弱的實驗探究，對形成科學概念，落實教學內容，達成教學目標，培養學生的能力，尤其是動手能力具有很大的幫助。

物質導電性；創新設計；應用價值

在中學實驗教學過程中，現有的物質導電性教學實驗裝置，都是從實驗的安全性考慮，采用的是36 V以下電壓。由于實驗電壓太低，電流過弱，實驗的效果很不理想。例如，用現有實驗裝置無法檢測天然水的導電性，甚至無法檢測弱電解質溶液的導電性，如二氧化碳水溶液的導電性。由于該實驗裝置在設計上無法彌補的缺陷，使得一些原本導電的弱電解質無法顯示導電能力成為“非電解質”，一些常見的導體(如人體的皮膚，潮濕的木棒)變成了“絕緣體”，給教學留下了不小的遺憾。

針對上述試驗裝置存在的電壓低、電流弱的缺陷，我們設計出一種用220 V電源電壓供電的導電性實驗裝置。該實驗裝置原理科學，外形美觀，操作簡單，使用方便，可視性強，可用于教師演示實驗和學生分組實驗，教學效果顯著?，F將物質導電性創新試驗裝置的電路原理、設計與制作、功能和用途以及使用方法等作一介紹。

一、實驗裝置原理

圖1是我們最初設計的實驗裝置電路實物圖。利用一副電極棒可以進行物質導電性實驗。實驗的原理是：電極插座與電燈串聯，電極插頭插入電極插座孔，當二電極與被測試物質接觸，指示燈亮，則說明電路通路，被測試物質導電；指示燈不亮，則說明電路不通，被測試物質不導電。

圖1

二、實驗裝置的設計、制作

1.對試驗過程的思考

我們用圖1的實驗電路對天然水、食鹽水、稀硫酸、氫氧化鈉、無水酒精、稀氨水、濃氨水等物質進行導電性實驗。將待測試的物質放在燒杯中逐一進行實驗(如圖2所示)。

圖2

在實驗的過程中，我們發現存在如下兩方面的問題。

(1)由于實驗采用的是220 V的電壓，實驗過程不小心觸碰電極或接觸導電的測試液都會發生觸電，故試驗中有觸電的危險。

(2)由于實驗燒杯是臨時實驗容器，實驗時電極浸入燒杯的液體中，每一項實驗完成后都要清洗電極和燒杯，操作麻煩、費時。

2.問題的解決方案

針對問題1(實驗中有觸電的危險)，我們有如下的兩種解決方案。

(1)方案一

在電路中設置一個漏電斷路器。在零線和火線上設置一個雙擲開關(閘刀開關)如圖3所示，我們在電路的方框1的位置設置漏電斷路器，在方框2的位置設置雙擲開關。這樣可避免在實驗過程中因不小心或操作不當而發生的觸電事故。

圖3

根據圖3的實物電路，我們設計并制作出如圖4所示的物質導電性實驗裝置A。該裝置A呈長方體(設計長24 cm，寬18 cm，高9 cm)，電路元件布局合理，結構緊湊，裝置外形美觀。

圖4 導電性試驗裝置A

(2)方案二

另一種防止實驗觸電的方案是在電路中安裝一隔離變壓器。只要將圖4導電性實驗裝置A中安裝的斷路器用隔離變壓器替代即可。這一方案簡單易行，不失為一種好的選擇方案。

針對問題2(每一次實驗后都要清洗電極，操作麻煩，費時太多)，我們設計如下的解決方案：一是將電極倒置；二是在盛測試液體的試驗容器底部設置一個排液孔；三是倒置的電極和盛測試液體的實驗容器為兩個部件，兩個部件裝配在一起構成一個整體使用。

利用上述方案，我們設計并制作了如圖6所示的液體導電性實驗容器。在做液體導電性實驗時，將電極插頭插入實驗裝置A的電極插座孔中，進行裝置連接。

現在我們用創新設計的液體導電性實驗容器測試液體的導電性，再將用該裝置的實驗操作方法與改進前的實驗操作來進行對比分析。

圖5

圖6 導電性試驗裝置B

改進前(如圖5所示)，在做液體導電性實驗時，燒杯是臨時容器(待測試的液體放在燒杯中)，每做完一個測試都要清洗一次電極和燒杯，操作麻煩，耗時多。改進后的導電性實驗裝置B(如圖6所示)，電極與實驗容器組合在一起，每完成一個實驗，打開排液閥，廢液由試驗容器下端排液孔直接排入廢液缸，電極用純凈水清洗2~3遍，清洗后的液體由排液孔排入廢液缸，接著就可以進行下一項試驗。與原來實驗方法比較，操作非常方便，大大節約了實驗時間。

因此，我們對物質導電實驗裝置進行了創新設計后，不僅解決了實驗操作的安全問題，也解決了實驗時清洗電極操作麻煩、費時太多的實際問題，明顯地提高了課堂教學效率。

最后，制作一副帶插頭的電極棒，一個固定實驗容器的鐵夾和鐵桿(如圖7、圖8所示)，便于完成整個物質導電性實驗裝置的制作。利用該裝置，可以進行固體物質和液體物質的導電性實驗。

圖7 固體物質的導電性實驗

圖8 液體物質導電性實驗

三、實驗裝置的特殊用途：顯示化學反應進程

我們將實驗裝置的實驗容器用做反應容器，當一個特定的化學反應發生時，根據實驗容器內液體的導電性變化，即指示燈的明暗程度變化，可以判斷化學反應的進程。例如，足量二氧化碳與澄清石灰水的反應。如圖9所示，二氧化碳慢慢通入澄清石灰水中，起初發生的反應是：

上述反應一結束，接著發生另一反應：

在反應過程中我們觀察到2個現象：一是澄清的石灰水變渾濁，然后渾濁的液體又慢慢變清；二是指示燈由亮變暗直至熄滅，然后又開始慢慢變亮。顯然，從現象一我們無法準確判斷上述第一個反應在什么時刻完成。因為肉眼無法準確判斷什么時候液體的渾濁度最大。而根據現象二可知，燈熄滅的這一瞬間正是第一個反應完成的時刻，也是后一個反應發生的時刻。

上述反應過程液體的導電能力與通入二氧化碳量的關系可用圖像直觀表示(如圖10所示)，該圖像曲線底部最低處表示第一個反應的結束，第二個反應的開始；曲線平直部分表示第二個反應結束。

圖9

圖10

因而，利用物質導電性實驗裝置，根據液體的導電能力變化，即指示燈的明暗程度變化，可以顯示化學反應的進程。運用的又一個實例是硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液反應的導電現象(圖像同圖10)。

指示燈由亮變暗直至熄滅，指示燈熄滅的一瞬間，反應正好結束。

四、實驗裝置在科學探究中的運用

本實驗裝置可用于科學探究，例如：電流對(水生)動植物生長影響探究、魚類抗擊電流能力探究、電流對種子性狀改變探究。 實驗時將選擇的實驗材料放入圖11所示實驗容器中進行實驗。

圖11

在實驗時選擇向水中加入適量的電解質、調整電極間的距離及換用不同功率的燈泡等方法控制電流大小。實驗時我們還可以在電路中串聯一靈敏電流計，用于測量實驗時所控制的電流值，以便定量的分析電流大小對實驗對象的影響。

五、結束語

本實驗裝置具有實驗現象直觀、明顯；操作方便，節約用時；試劑用量少,廢液產生少；功能多、用處大，并可用于科學探究實驗等優點。由于上述諸多突出的優點，實驗裝置的使用對提高課堂教學效率、對學生學習能力的培養，尤其是動手能力的培養，將會取得很大的提高和幫助。從教學實際情況而言，該實驗裝置具有較大的推廣和應用價值。

在中學階段的科學教學中，實驗教學占有重要的主導地位，物質導電性實驗裝置的創新設計不僅拓寬了中學現有的傳統課堂教學手段，而且豐富了現有的課堂教學內容。因此，它在現有中學課堂教學中有著極其重要的推廣與應用價值，作為實驗教學教師，應當積極地投入于實驗教學創新設計和改革的隊列中，在教育教學實踐中不斷地努力探索與研究，充分利用實驗教學應有的優勢，有效地調動學生的學習興趣和熱情，更好地培養學生的動手能力，為不斷地提高教學質量做出努力。

鄭懷舟，本科，中教一級。浙江省安吉縣實驗初中教育集團，313300