優化“空氣有質量”實驗方案

◇黃訓君（四川：內江川南幼兒師范高等專科學校）

空氣的性質是小學科學課程的一個重要內容。空氣具有質量是空氣的基本性質之一，但因一般條件下空氣的質量很輕，難以觀察，小學生在學習此知識時存在一定的困難，需要通過相應的實驗現象來證明空氣是有質量的。各版本的小學科學教材中都有“空氣有質量”這一內容，并給出了實驗方案，但在教學實踐中我們發現，現有教材上的實驗方案存在操作不方便、原理不嚴謹、現象不明顯、數據難處理等問題，需進一步優化。

一、現有實驗方案的不足

當前使用的各版本小學科學教材中對“空氣有質量”實驗的實驗方案可以概括為“機械天平失衡法”和“電子天平稱量法”兩種，各自的不足之處如下。

（一）“機械天平失衡法”實驗方案的不足

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，然后放掉一個氣球中的氣，觀察充氣氣球的一端往下墜，證明空氣有質量。教科版、粵教版、人教版、蘇教版教材中都有此方法。此實驗方案取材容易，但存在以下的缺點。

1.實驗操作比較困難

此實驗的操作看似簡單，實則有較多操作難點。如何讓“天平”平穩，怎樣給氣球充氣、打結和放氣等都是難點。

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，此實驗方案所用的“天平”大多是將一根杠桿用線懸掛起來做成的簡易機械天平，因為用托盤天平無法測出兩端氣球中空氣的質量，用螺釘和螺母固定的杠桿尺摩擦力太大，也容易導致實驗失敗。此簡易天平的整體質量較輕、穩定性差，掛上氣球后容易受到空氣流動的影響，氣球在上下左右各個方向都十分容易晃動。給氣球和繩子打結時學生容易出現系不緊、打死結等問題，給氣球放氣時容易導致氣球爆炸，實驗成功率低，材料浪費大。

2.實驗現象不夠明顯

由于實驗中所用的天平模型過于簡陋，沒有用于指示平衡的裝置，天平是否平衡沒有參照標準，難以判斷。有時杠桿僅會傾斜非常小的角度，實驗現象不夠明顯，不方便學生觀察。

3.實驗原理不夠嚴謹

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，會對原實驗中杠桿的平衡產生較大的影響，無法充分地證明杠桿傾斜與氣球內氣體質量的關系。已有案例記載了放掉一個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”實驗方案的不足

此實驗方案的基本思路是用電子天平測量某個容器內空氣的質量。蘇教版、青島版、大象版、人教版等教材中采用了此方案。此實驗方案能夠定量研究空氣的質量，能夠讓學生認識到，空氣雖然很輕，但也是有質量的。此實驗的方法和思路很好，現象直觀，但現有實驗方案存在以下不足。

1.未排除浮力的影響

原實驗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.現象不夠明顯

現有實驗方案都采用了塑料小球來作為裝空氣的容器，所用的小球體積較小，球內空氣的壓強不是很大，所裝空氣的質量很小。根據實驗方案的數據和實際實驗來看，充氣前后空氣的質量變化都在零點幾克，實驗數值差距不大，現象不夠明顯。

3.對電子天平的要求較高

由于現有實驗方案中充氣前后空氣的質量差值都在零點幾克，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，價格越貴，且量程往往越小。若要采用大球來裝空氣以增加球內空氣的質量，則球的質量可能會超過電子天平的量程，造成測量不便。

4.學生處理數據有困難

由于現有實驗方案中充氣前后測得的質量差值都在零點幾克，處理實驗數據需要用到小數的加減法，然而學生在學習本課之前還沒有學過小數，不能熟練地處理實驗數據。

二、優化本實驗的思路

綜上所述，要克服上述實驗方案的不足，筆者認為：可選擇充氣前后體積無明顯變化的容器來排除浮力這一影響因素；使用耐壓容器來裝空氣，往容器充裝的空氣要盡量多，使測出的氣體質量盡可能大一些，使現象更為明顯；實驗中測的空氣質量最好是整數，符合學生的數學基礎，便于學生進行運算；盡量選用穩定性好、易操作、已準備的實驗器材。

（一）用鋼制儲氣瓶裝壓縮空氣

用能夠充裝壓縮氣體，且充氣前后體積不變的鋼制儲氣瓶來代替現有實驗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，盡可能地往儲氣瓶內加入更多的氣體，增加瓶內空氣的質量。本次實驗中所用的鋼制儲氣瓶是用體積為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。

圖1 可充氣和放氣的鋼制儲氣瓶

（二）用托盤天平比較重量變化

用實驗室的托盤天平代替了原來的自制簡易機械天平，既可以避免自制簡易天平容易出現的水平晃動、平衡無參照標準，以及轉軸處的摩擦阻力太大等問題，又可以充分利用實驗室配備的現成器材，降低實驗成本和準備實驗器材的工作量，使實驗更便于操作，平衡有參照標準。

（三）用低精度電子天平去小數

在用鋼瓶裝壓縮空氣、增大測得的氣體質量的基礎上，選用精度為1g、量程為5kg 的電子天平來代替原實驗中精度為0.01g、量程為200g 的電子天平。這樣，測量值更明顯，且測得數值為整數，使實驗數據更易于處理，符合學生的數學基礎。

三、優化后的實驗方案

（一）實驗1:用機械天平證明空氣有質量

1.實驗器材

托盤天平1臺、可充氣和放氣的儲氣瓶2個、打氣筒或小型氣泵1個。

2.實驗步驟

第1步，將托盤天平調平。

第2 步，將兩個一樣的儲氣瓶分別編號為1 號和2 號，貼上標簽，按壓氣門芯檢查兩個儲氣瓶是否向外噴氣，若有，則持續按壓氣門芯，直到不噴氣為止。然后將兩個儲氣瓶分別放到托盤天平的左右托盤上，觀察天平的狀態。

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

第4 步，將已充氣的1 號儲氣瓶和未充氣的2號儲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，比較充氣和未充氣儲氣瓶的重量。

第5 步，比較充入儲氣瓶內的空氣和回形針的質量。往2 號儲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。用手感覺放入托盤的回形針質量，思考充氣儲氣瓶內空氣的質量和回形針的質量之間的關系。

3.實驗現象與結論

給1 號儲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（如圖2 所示），說明兩個儲氣瓶的重量相等。給1 號儲氣瓶充氣后再次比較兩個儲氣瓶的質量，觀察到充了氣的1 號儲氣瓶所在的一端下降，天平指針偏向1 號儲氣瓶所在的一端（如圖3 所示），1 號儲氣瓶充氣后變重。以上現象說明空氣是有質量的。往2 號儲氣瓶所在的托盤內放入回形針后天平重新平衡（如圖4 所示），說明放入托盤的回形針的質量等于1號儲氣瓶內空氣的質量。用手感覺回形針的質量很輕，說明空氣質量很輕。

圖2 充氣前兩儲氣瓶質量相等

圖3 充氣后的儲氣瓶變重

圖4 加上回形針后天平平衡

（二）實驗2：用電子天平測量空氣的質量

1.實驗器材

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

2.實驗步驟

第1 步，打開電子天平的開關，按去皮（或歸零）按鈕。將儲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字，并加上g 作為單位，測出儲氣瓶充氣前的質量。

第2 步，用帶壓力表的打氣筒（也可用小型氣泵）往儲氣瓶內充氣，當壓力表顯示壓強為500Kpa（0.5Mpa）時停止充氣，然后將儲氣瓶放在電子天平的托盤上稱量，計算充氣后儲氣瓶內增加的空氣質量。

第3 步，按壓儲氣瓶的氣門芯，將充入儲氣瓶內的部分空氣放出，然后再次稱量，計算放氣后儲氣瓶內減少的空氣質量。

3.實驗現象與結論

充氣前測得儲氣瓶的質量為513 g（如圖5 所示），充氣后為518 g（如圖6 所示），放出部分空氣后為514g（如圖7 所示），通過計算得知，充入儲氣瓶內的空氣質量為5 g，放出的空氣質量為4g，說明空氣是有質量的。

圖5 充氣前儲氣瓶質量為513g

圖6 充氣后儲氣瓶內質量增加5g

圖7 放氣后儲氣瓶內質量減少4g

四、實驗優化效果

本實驗優化的關鍵點是用鋼制儲氣瓶來裝空氣，優化后的實驗有以下進步。

（一）消除了空氣浮力的影響，實驗原理更嚴謹

用鋼制儲氣瓶代替了氣球和塑料小球，充氣前后儲氣瓶的體積不變，消除了原實驗中會影響實驗結果的浮力因素，實驗原理更科學嚴謹。

（二）增加了容器內空氣的質量，實驗現象更明顯

利用鋼瓶的耐高壓特性，可以往儲氣瓶內充入更多的氣體，增加了瓶內的空氣量，實驗現象更加明顯。此處需考慮瓶內氣壓變高后的安全問題，此實驗中改裝的儲氣瓶工作壓力與容積的乘積小于1.0MPa/m3, 介質為空氣，符合簡單壓力容器的標準，氣門芯與鋼瓶之間采用螺紋連接，在氣壓表監測下正確使用為安全。

（三）充分利用現成的實驗器材，實驗操作更便捷

在增加空氣變化量的基礎上，利用托盤天平代替了原自制簡易天平，實驗操作更簡便，平衡更好判斷，攻克了實驗難點。

（四）消除了實驗數據中的小數，符合學生的數學認知

在增加空氣變化量的基礎上，用大量程和低精度的電子天平代替了原實驗中小量程高精度的電子天平；盡量增加測得的空氣質量，去除學生還不會計算的小數，使實驗數據與學生的數學認知相符。