優(yōu)化“空氣有質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)方案

黃訓(xùn)君

空氣的性質(zhì)是小學(xué)科學(xué)課程的一個(gè)重要內(nèi)容。空氣具有質(zhì)量是空氣的基本性質(zhì)之一，但因一般條件下空氣的質(zhì)量很輕，難以觀察，小學(xué)生在學(xué)習(xí)此知識(shí)時(shí)存在一定的困難，需要通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)證明空氣是有質(zhì)量的。各版本的小學(xué)科學(xué)教材中都有“空氣有質(zhì)量”這一內(nèi)容，并給出了實(shí)驗(yàn)方案，但在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有教材上的實(shí)驗(yàn)方案存在操作不方便、原理不嚴(yán)謹(jǐn)、現(xiàn)象不明顯、數(shù)據(jù)難處理等問(wèn)題，需進(jìn)一步優(yōu)化。

一、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案的不足

當(dāng)前使用的各版本小學(xué)科學(xué)教材中對(duì)“空氣有質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案可以概括為“機(jī)械天平失衡法”和“電子天平稱量法”兩種，各自的不足之處如下。

（一）“機(jī)械天平失衡法”實(shí)驗(yàn)方案的不足

此方法的基本思路是在“天平”兩端各掛一只充了氣的氣球，并使之平衡，然后放掉一個(gè)氣球中的氣，觀察充氣氣球的一端往下墜，證明空氣有質(zhì)量。教科版、粵教版、人教版、蘇教版教材中都有此方法。此實(shí)驗(yàn)方案取材容易，但存在以下的缺點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)操作比較困難

此實(shí)驗(yàn)的操作看似簡(jiǎn)單，實(shí)則有較多操作難點(diǎn)。如何讓“天平”平穩(wěn)，怎樣給氣球充氣、打結(jié)和放氣等都是難點(diǎn)。

由于氣球本身和所充的空氣都比較輕，為了使氣球能夠在杠桿上傾斜，此實(shí)驗(yàn)方案所用的“天平”大多是將一根杠桿用線懸掛起來(lái)做成的簡(jiǎn)易機(jī)械天平，因?yàn)橛猛斜P天平無(wú)法測(cè)出兩端氣球中空氣的質(zhì)量，用螺釘和螺母固定的杠桿尺摩擦力太大，也容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。此簡(jiǎn)易天平的整體質(zhì)量較輕、穩(wěn)定性差，掛上氣球后容易受到空氣流動(dòng)的影響，氣球在上下左右各個(gè)方向都十分容易晃動(dòng)。給氣球和繩子打結(jié)時(shí)學(xué)生容易出現(xiàn)系不緊、打死結(jié)等問(wèn)題，給氣球放氣時(shí)容易導(dǎo)致氣球爆炸，實(shí)驗(yàn)成功率低，材料浪費(fèi)大。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯

由于實(shí)驗(yàn)中所用的天平模型過(guò)于簡(jiǎn)陋，沒(méi)有用于指示平衡的裝置，天平是否平衡沒(méi)有參照標(biāo)準(zhǔn)，難以判斷。有時(shí)杠桿僅會(huì)傾斜非常小的角度，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，不方便學(xué)生觀察。

3.實(shí)驗(yàn)原理不夠嚴(yán)謹(jǐn)

氣球本身較輕，不耐高壓，所充的空氣也較輕。而氣球充氣后體積明顯增大，在空氣中會(huì)受到較大的浮力。氣球所受的浮力大小與其重力相比是不可忽略的，會(huì)對(duì)原實(shí)驗(yàn)中杠桿的平衡產(chǎn)生較大的影響，無(wú)法充分地證明杠桿傾斜與氣球內(nèi)氣體質(zhì)量的關(guān)系。已有案例記載了放掉一個(gè)氣球中的氣后天平仍然平衡，甚至放掉氣的一端反而下降的情況。

（二）“電子天平稱量法”實(shí)驗(yàn)方案的不足

此實(shí)驗(yàn)方案的基本思路是用電子天平測(cè)量某個(gè)容器內(nèi)空氣的質(zhì)量。蘇教版、青島版、大象版、人教版等教材中采用了此方案。此實(shí)驗(yàn)方案能夠定量研究空氣的質(zhì)量，能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到空氣形成，空氣雖然很輕，但也是有質(zhì)量的。此實(shí)驗(yàn)的方法和思路很好，現(xiàn)象直觀，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案存在以下不足：

1.未排除浮力的影響

原實(shí)驗(yàn)中所用的塑料小球在充氣前后體積變化較大，同樣未排除浮力的影響。

2.現(xiàn)象不夠明顯

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案都采用了塑料小球來(lái)作為裝空氣的容器，所用的小球體積較小，球內(nèi)空氣的壓強(qiáng)不是很大，所裝空氣的質(zhì)量很小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)看，充氣前后空氣的質(zhì)量變化都在零點(diǎn)幾克，實(shí)驗(yàn)數(shù)值差距不大，現(xiàn)象不夠明顯。

3.對(duì)電子天平的要求較高

由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案中充氣前后空氣的質(zhì)量差值都在零點(diǎn)幾克，需要用到精度為0.1g或0.01g的高精度的電子天平，電子天平的精度越高，價(jià)格越貴，且量程往往越小。若要采用大球來(lái)裝空氣以增加球內(nèi)空氣的質(zhì)量，則球的質(zhì)量可能會(huì)超過(guò)電子天平的量程，造成測(cè)量不便。

4.學(xué)生處理數(shù)據(jù)有困難

由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案中充氣前后測(cè)得的質(zhì)量差值都在零點(diǎn)幾克，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要用到小數(shù)的加減法，然而學(xué)生在學(xué)習(xí)本課之前還沒(méi)有學(xué)過(guò)小數(shù)，不能熟練地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

二、優(yōu)化本實(shí)驗(yàn)的思路

綜上所述，要克服上述實(shí)驗(yàn)方案的不足，筆者認(rèn)為：可選擇充氣前后體積無(wú)明顯變化的容器來(lái)排除浮力這一影響因素;使用耐壓容器來(lái)裝空氣，往容器充裝的空氣要盡量多，使測(cè)出的氣體質(zhì)量盡可能大一些，使現(xiàn)象更為明顯;實(shí)驗(yàn)中測(cè)的空氣質(zhì)量最好是整數(shù)，符合學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，便于學(xué)生進(jìn)行運(yùn)算;盡量選用穩(wěn)定性好、易操作、已準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材。

（一）用鋼制儲(chǔ)氣瓶裝壓縮空氣

用能夠充裝壓縮氣體，且充氣前后體積不變的鋼制儲(chǔ)氣瓶來(lái)代替現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案中的體積有明顯變化的氣球和塑料小球。這樣，既排除了浮力的影響，又能利用鋼瓶耐高壓的特性，盡可能地往儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)加入更多的氣體，增加瓶?jī)?nèi)空氣的質(zhì)量。本次實(shí)驗(yàn)中所用的鋼制儲(chǔ)氣瓶是用體積為1L的便攜式氧氣瓶和氣門芯改裝而成，用螺紋連接件將氣門芯連接在鋼瓶的瓶口處，瓶口密封好即可（如圖1所示）。

改裝好的氣瓶自重513g，最大耐壓2.1Mpa。

（二）用托盤天平比較重量變化

用實(shí)驗(yàn)室的托盤天平代替了原來(lái)的自制簡(jiǎn)易機(jī)械天平，既可以避免自制簡(jiǎn)易天平容易出現(xiàn)的水平晃動(dòng)、平衡無(wú)參照標(biāo)準(zhǔn)，以及轉(zhuǎn)軸處的摩擦阻力太大等問(wèn)題，又可以充分利用實(shí)驗(yàn)室配備的現(xiàn)成器材，降低實(shí)驗(yàn)成本和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材的工作量，使實(shí)驗(yàn)更便于操作，平衡有參照標(biāo)準(zhǔn)。

（三）用低精度電子天平去小數(shù)

在用鋼瓶裝壓縮空氣、增大測(cè)得的氣體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選用精度為1g、量程為5kg的電子天平來(lái)代替原實(shí)驗(yàn)中精度為0.01g、量程為200g的電子天平。這樣，測(cè)量值更明顯，且測(cè)得數(shù)值為整數(shù)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更易于處理，符合學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

三、優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)方案

（一）實(shí)驗(yàn)1：用機(jī)械天平證明空氣有質(zhì)量

1.實(shí)驗(yàn)器材

托盤天平1臺(tái)、可充氣和放氣的儲(chǔ)氣瓶2個(gè)、打氣筒或小型氣泵1個(gè)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

第1步，將托盤天平調(diào)平。

第2步，將兩個(gè)一樣的儲(chǔ)氣瓶分別編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)，貼上標(biāo)簽，按壓氣門芯檢查兩個(gè)儲(chǔ)氣瓶是否向外噴氣，若有，則持續(xù)按壓氣門芯，直到不噴氣為止。然后將兩個(gè)儲(chǔ)氣瓶分別放到托盤天平的左右托盤上，觀察天平的狀態(tài)。

第3步，用自行車輪胎的打氣筒往1號(hào)儲(chǔ)氣瓶中充入30筒空氣（也可用小型氣泵充氣至500kPa）。

第4步，將已充氣的1號(hào)儲(chǔ)氣瓶和未充氣的2號(hào)儲(chǔ)氣瓶分別放到托盤天平的左右托盤上，再次觀察天平的狀態(tài)，比較充氣和未充氣儲(chǔ)氣瓶的重量。

第5步，比較充入儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的空氣和回形針的質(zhì)量。往2號(hào)儲(chǔ)氣瓶所在一端的托盤里放上一些回形針，直到天平重新平衡。用手感覺(jué)放入托盤的回形針質(zhì)量，思考充氣儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣的質(zhì)量和回形針的質(zhì)量之間的關(guān)系。

3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

給1號(hào)儲(chǔ)氣瓶充氣前觀察到天平的指針位于分度盤的中線位置，天平處于平衡狀態(tài)（如圖2所示），說(shuō)明兩個(gè)儲(chǔ)氣瓶的重量相等。給1號(hào)儲(chǔ)氣瓶充氣后再次比較兩個(gè)儲(chǔ)氣瓶的質(zhì)量，觀察到充了氣的1號(hào)儲(chǔ)氣瓶所在的一端下降，天平指針偏向1號(hào)儲(chǔ)氣瓶所在的一端（如圖3所示），1號(hào)儲(chǔ)氣瓶充氣后變重。以上現(xiàn)象說(shuō)明空氣是有質(zhì)量的。往2號(hào)儲(chǔ)氣瓶所在的托盤內(nèi)放入回形針后天平重新平衡（如圖4所示），說(shuō)明放入托盤的回形針的質(zhì)量等于1號(hào)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)空氣的質(zhì)量。用手感覺(jué)回形針的質(zhì)量很輕，說(shuō)明空氣質(zhì)量很輕。

（二）實(shí)驗(yàn)2：用電子天平測(cè)量空氣的質(zhì)量

1.實(shí)驗(yàn)器材

電子天平1臺(tái)（量程超過(guò)儲(chǔ)氣瓶充滿氣的質(zhì)量即可，精度1g），儲(chǔ)氣瓶1個(gè)，帶壓力表的自行車輪胎打氣筒或小型氣泵1個(gè)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

第1步，打開(kāi)電子天平的開(kāi)關(guān)，按去皮（或歸零）按鈕。將儲(chǔ)氣瓶輕輕地放置在電子天平的托盤上。讀出電子天平顯示屏上的數(shù)字，并加上g作為單位，測(cè)出儲(chǔ)氣瓶充氣前的質(zhì)量。

第2步，用帶壓力表的打氣筒（也可用小型氣泵）往儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充氣，當(dāng)壓力表顯示壓強(qiáng)為500kPa（0.5mPa）時(shí)停止充氣，然后將儲(chǔ)氣瓶放在電子天平的托盤上稱量，計(jì)算充氣后儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)增加的空氣質(zhì)量。

第3步，按壓儲(chǔ)氣瓶的氣門芯，將充入儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的部分空氣放出，然后再次稱量，計(jì)算放氣后儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)減少的空氣質(zhì)量。

3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

充氣前測(cè)得儲(chǔ)氣瓶的質(zhì)量為513g（如圖5所示），充氣后為518g（如圖6所示），放出部分空氣后為514g（如圖7所示），通過(guò)計(jì)算得知，充入儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量為5g，放出的空氣質(zhì)量為4g，說(shuō)明空氣是有質(zhì)量的。

四、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化效果

本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)是用鋼制儲(chǔ)氣瓶來(lái)裝空氣，優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)有以下進(jìn)步。

（一）消除了空氣浮力的影響，實(shí)驗(yàn)原理更嚴(yán)謹(jǐn)

用鋼制儲(chǔ)氣瓶代替了氣球和塑料小球，充氣前后儲(chǔ)氣瓶的體積不變，消除了原實(shí)驗(yàn)中會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的浮力因素，實(shí)驗(yàn)原理更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

（二）增加了容器內(nèi)空氣的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯

利用鋼瓶的耐高壓特性，可以往儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充入更多的氣體，增加了瓶?jī)?nèi)的空氣量，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。此處需考慮瓶?jī)?nèi)氣壓變高后的安全問(wèn)題，此實(shí)驗(yàn)中改裝的儲(chǔ)氣瓶工作壓力與容積的乘積小于1.0mPa/m3，介質(zhì)為空氣，符合簡(jiǎn)單壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)，氣門芯與鋼瓶之間采用螺紋連接，在氣壓表監(jiān)測(cè)下正確使用為安全。

（三）充分利用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)操作更便捷

在增加空氣變化量的基礎(chǔ)上，利用托盤天平代替了原自制簡(jiǎn)易天平，實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)便，平衡更好判斷，攻克了實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。

（四）消除了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的小數(shù)，符合學(xué)生的數(shù)學(xué)認(rèn)知

在增加空氣變化量的基礎(chǔ)上，用大量程和低精度的電子天平代替了原實(shí)驗(yàn)中小量程高精度的電子天平;盡量增加測(cè)得的空氣質(zhì)量，去除學(xué)生還不會(huì)計(jì)算的小數(shù)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與學(xué)生的數(shù)學(xué)認(rèn)知相符。