巧用VC泡騰片設(shè)計(jì)并改進(jìn)一些有趣的物理實(shí)驗(yàn)

曹 慧

(張家港市錦豐初級(jí)中學(xué)江蘇 蘇州215600)

摘 要：利用泡騰片在水中產(chǎn)生大量氣體的特性,設(shè)計(jì)和改進(jìn)了一些中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)方案，開發(fā)泡騰片在物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用，取得較好效果.

關(guān)鍵詞：泡騰片物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)潛力

收稿日期：(2014-12-11)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，有趣的物理實(shí)驗(yàn)可以帶動(dòng)課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.什么樣的物理實(shí)驗(yàn)才是有趣的呢？物理實(shí)驗(yàn)的趣味性很重要的一個(gè)方面來自實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的新穎性和創(chuàng)造性.

VC泡騰片是生活中常見的用來補(bǔ)充維生素的固體飲料，生活中常用它來制作橙汁飲料.泡騰片中含有碳酸氫鈉和有機(jī)酸(檸檬酸)，在沒有水的時(shí)候，它們不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，放入水中后，兩者溶于水形成有

機(jī)酸溶液和碳酸氫鈉溶液.其中有機(jī)酸中的氫離子和碳酸氫鈉中的碳酸根離子發(fā)生中和反應(yīng)生成二氧化碳，化學(xué)反應(yīng)離子式為：H++HCO3-→CO2↑.反應(yīng)時(shí)，泡騰片會(huì)冒著氣泡在水面游走，同時(shí)發(fā)出“嘶嘶”聲，水的顏色也隨之改變，現(xiàn)象奇特有趣.利用泡騰片的這一奇妙特性，可以設(shè)計(jì)完成一些簡(jiǎn)單、有趣的物理實(shí)驗(yàn).

1測(cè)量空氣的浮力和密度的實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[1]提出一種利用“可樂和薄荷糖混合產(chǎn)生大量氣體”演示空氣浮力的實(shí)驗(yàn)方案.筆者認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)方案存在以下缺點(diǎn)：

(1)實(shí)驗(yàn)氣體來自溶解在可樂中的二氧化碳?xì)怏w，氣體總量一定，且在打開可樂瓶連接含薄荷糖的氣球時(shí)會(huì)有大量氣體逸出，使得實(shí)驗(yàn)用于產(chǎn)生空氣浮力變化的氣球的體積受到限制；

(2)可樂和薄荷糖混合產(chǎn)生氣體的過程過于激烈，二氧化碳?xì)怏w從可樂中瞬間逸出會(huì)造成瓶中可樂的噴發(fā)，有可能沖開氣球與可樂瓶的連接造成實(shí)驗(yàn)失??；

(3)可樂瓶開啟以后就會(huì)有氣體不斷逸出，因此氣球套在可樂瓶口后就被立即吹起，并且體積不斷變大，因此需要用透明膠帶將氣球圈緊，避免薄荷糖提前墜入可樂中，調(diào)整天平平衡也變成了一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，實(shí)驗(yàn)需要快速完成，實(shí)驗(yàn)節(jié)奏不容易控制.

針對(duì)以上缺點(diǎn)，筆者利用“泡騰片在水中反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳”改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)方案可以取得更好的實(shí)驗(yàn)效果.改進(jìn)方案優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生氣體量可以控制，泡騰片遇水產(chǎn)生的二氧化碳源自酸和堿的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體的量可用泡騰片的數(shù)量決定，水在實(shí)驗(yàn)中只是起到反應(yīng)介質(zhì)的作用，因此一小瓶水即可產(chǎn)生大量氣體.由于空氣密度很小，因此氣球膨脹的體積越大，實(shí)驗(yàn)效果越明顯；

(2)實(shí)驗(yàn)作用更完善，文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)由于受到氣球體積限制，僅能用來演示空氣中存在浮力，不能定量研究浮力的大小等，改進(jìn)方案中采用大號(hào)氣球，可將氣球的直徑放大至35 cm甚至更大，可以用來粗略地測(cè)量空氣浮力的大小和計(jì)算空氣的密度；

(3)改進(jìn)方案中氣體產(chǎn)生方式迅速且溫和，在泡騰片沒有進(jìn)入水中之時(shí)，沒有氣體產(chǎn)生，因此實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度可以隨意控制，操作更加簡(jiǎn)單且實(shí)驗(yàn)時(shí)有液體顏色變化和“嘶嘶”聲響，實(shí)驗(yàn)效果更加有趣.

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案如下.

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用膨脹氣球受到空氣浮力作用，測(cè)量氣球受到的空氣浮力和空氣的密度.

1.2實(shí)驗(yàn)器材

物理天平(配套砝碼),大號(hào)氣球,瓶裝純凈水,VC泡騰片,鋼尺.

1.3操作方法

(1)將物理天平水平放置在水平工作臺(tái)上，調(diào)整調(diào)平螺絲使天平支柱垂直，刀墊水平.

(2)將15片左右泡騰片(4 g/片)放入氣球中(可掰碎后放入)，打開純凈水瓶蓋，將氣球套于瓶口.再將純凈水放在天平左盤.

(3)在天平右盤里增減砝碼，調(diào)節(jié)游碼，使天平平衡，讀出左盤物體質(zhì)量.

(4)將氣球中的泡騰片倒入純凈水，觀察泡騰片在純凈水中的反應(yīng)和氣球體積的變化，待泡騰片與水反應(yīng)完全，觀察天平變化，可看到天平左盤升高，指針向左偏轉(zhuǎn)，如圖1所示.說明氣球膨脹后左盤物體受到向上的空氣浮力作用.

圖1

(5)再次調(diào)整天平平衡，讀出左盤物體質(zhì)量，計(jì)算左盤物體前后重力變化，即為物體受空氣浮力大小.

(7)將物理天平制動(dòng)旋鈕向左旋動(dòng)，放下天平橫梁.將純凈水瓶取下，砝碼放回盒中，游碼歸零，將天平復(fù)原.

1.4實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，60 g泡騰片(15片)在純凈水中反應(yīng)產(chǎn)生的氣體可將氣球體積吹至0.014 m3，實(shí)驗(yàn)前后托盤天平測(cè)得的質(zhì)量變化約為15g，測(cè)得的空氣密度ρ約為1.07kg/m3與20℃時(shí)空氣密度1.205kg/m3接近.氣球受到的空氣浮力約為0.147N.

1.5注意事項(xiàng)

(1)氣球使用前應(yīng)檢查其氣密性以及是否有老化現(xiàn)象，對(duì)于材質(zhì)較硬的氣球可提前吹起后放置半小時(shí)左右備用.

(2)泡騰片在水中產(chǎn)生氣體的量與泡騰片的制造工藝和成分有關(guān)，為了達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)氣量測(cè)試，確定泡騰片的使用量，泡騰片用量要充足.

(3)泡騰片在水中的反應(yīng)速度與水的溫度有關(guān)，可通過調(diào)節(jié)水溫來控制反應(yīng)速度.不可用熱水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，防止純凈水瓶受熱變形.

2模擬石油開采的實(shí)驗(yàn)

石油是人類社會(huì)的重要能源，關(guān)系到各方各業(yè)的生存發(fā)展，也關(guān)系到我們每個(gè)人的日常生活.石油是如何開采出來的呢？一般生活中常見到的石油開采畫面是一根采油管打下去，石油就自己噴出來了，這實(shí)際上只是石油開采的最初階段.一個(gè)油田中，大約只有1%～5%的石油會(huì)在地表壓力的作用下自己噴出地面，而大量的石油是貯藏在地下1 000 m深的巖石孔隙當(dāng)中的，這些孔隙大都只有絨毛粗細(xì)，石油就像浸在海綿中的水一樣儲(chǔ)藏在“石頭縫”里.要想開采出更多的石油，傳統(tǒng)的方法是向地下高壓注水，然后用水力活塞泵把井下的石油泵出地面，這種方法可采到的油量占30%～40%，操作簡(jiǎn)單但效率不高.還有一種熱力采油法，其基本原理是對(duì)油層注入高溫高壓蒸氣，加熱油層里的原油，使油壓升高，粘度降低，增加原油的流動(dòng)性，同時(shí)用氣壓將原油推出地層.

在“能源與可持續(xù)發(fā)展”的相關(guān)教學(xué)中，教師講述和演示石油開采的過程和困難，更容易讓學(xué)生產(chǎn)生珍惜和節(jié)約利用非可再生能源的環(huán)保意識(shí).演示石油開采過程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下.

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

模擬石油開采的過程，講述“能源”與“環(huán)境”的關(guān)系.

2.2實(shí)驗(yàn)器材

廣口瓶(或飲料瓶),玻璃管,橡皮塞,海綿,水,泡騰片,墨水,實(shí)驗(yàn)托盤.

2.3操作方法

(1)將海綿塞入廣口瓶模擬儲(chǔ)油巖石，廣口瓶?jī)?nèi)加入適量清水，在水中滴加適量墨水模擬石油.

(2)將玻璃管穿過橡皮瓶塞，調(diào)節(jié)玻璃管進(jìn)入瓶中的深度，使玻璃管剛好穿過海綿接近廣口瓶底部，并檢查橡皮塞的氣密性.

(3)將廣口瓶置于實(shí)驗(yàn)托盤上，為了使實(shí)驗(yàn)效果逼真，可以在托盤內(nèi)放置一些沙子模擬石油開采的自然環(huán)境.

(4)將1顆泡騰片放入廣口瓶?jī)?nèi)，使其與浸有液體的海綿接觸，迅速蓋上橡皮塞，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

(5)通過觀察發(fā)現(xiàn)，泡騰片與海綿中液體接觸，產(chǎn)生大量氣泡；海綿中的黑色液體逐漸順著玻璃管向上涌出，噴出管口并污染實(shí)驗(yàn)托盤中的沙子，如圖2所示.

圖2　“模擬開采油田”的實(shí)驗(yàn)田

2.4注意事項(xiàng)

(1)泡騰片用量不能過多，否則會(huì)造成液體噴射而出，污染周圍實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

(2)瓶中液體以剛剛露出海綿為宜，使泡騰片剛剛接觸到液體又不會(huì)反應(yīng)過快.實(shí)驗(yàn)時(shí)要防止墨水噴濺.

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用冷水，以便有充足時(shí)間將瓶塞塞緊，并觀察到“石油”升至“地面”的過程.

(4)將實(shí)驗(yàn)中的玻璃管換成膠頭滴管的玻璃管部分，該實(shí)驗(yàn)也可作為演示氣體壓強(qiáng)作用的“模擬噴泉實(shí)驗(yàn)”，如圖3所示.

圖3　噴泉實(shí)驗(yàn)

3演示氣體壓強(qiáng)應(yīng)用的氣墊舉物實(shí)驗(yàn)

空氣雖然看不見，但是當(dāng)壓強(qiáng)較大時(shí)，產(chǎn)生的現(xiàn)象往往出乎學(xué)生的意料之外，千斤頂就是應(yīng)用氣體壓強(qiáng)作用的一種裝置.小小的千斤頂為何能支撐得起汽車這樣巨大的物體呢？這種現(xiàn)象很容易引起學(xué)生的好奇和興趣.在壓強(qiáng)知識(shí)教學(xué)前，教師可以靈活地使用一些有趣的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.在教學(xué)完成后，也可以安排一些拓展實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解.利用氣體產(chǎn)生的作用力=氣體壓強(qiáng)×受力面積，可以設(shè)計(jì)氣墊舉物的趣味實(shí)驗(yàn).使用泡騰片的氣墊舉物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下.

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

演示氣墊舉物，展示氣體壓強(qiáng)的作用，粗略計(jì)算氣墊內(nèi)壓強(qiáng).

3.2實(shí)驗(yàn)器材

大號(hào)塑料袋(也可用熱水袋、充氣床墊等，效果更佳),硬木板,重物(書本或磚塊),水,泡騰片,注射器,彈簧測(cè)力計(jì),刻度尺.

3.3操作方法

(1)將適量泡騰片碾碎裝入熱水袋中，在熱水袋上放置硬木板，將重物放在硬木板上，盡量使重物重心位于熱水袋中央位置.

(2)讓學(xué)生用手抬起木板和重物，體驗(yàn)物體重量.然后將木板和重物放回?zé)崴?

(3)用注射器將水快速注入熱水袋，然后將熱水袋塞子旋緊，稍微抬起熱水袋一角，使液體與泡騰片粉末充分接觸.

(4)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可見熱水袋逐漸膨脹，并撐起木板和重物，如圖4所示.

圖4　熱水袋膨脹后將重物撐起

(5)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量重物重力，然后用刻度尺粗略測(cè)量熱水袋與木板接觸面積.估算熱水袋內(nèi)氣體壓強(qiáng).

3.4注意事項(xiàng)

(1)熱水袋上重物質(zhì)量視熱水袋面積而定，重物最好為整塊扁平狀，避免熱水袋膨脹時(shí)重心偏移從木板上跌落.

(2)用注射器注入的水量要充足，用溫水和熱水效果更佳.

4總結(jié)

泡騰片在物理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)有其獨(dú)到之處.

(1)其反應(yīng)條件簡(jiǎn)單，有水即可反應(yīng)，反應(yīng)過程能產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w，且反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì).

(2)價(jià)格便宜，易獲取、易保存，不需要提前配制，不需要專門的反應(yīng)容器，體積小，易粉碎.

(3)泡騰片的反應(yīng)易于控制，通過控制水的溫度即可控制氣體產(chǎn)生的快慢.單位質(zhì)量泡騰片的產(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣量與溫度和反應(yīng)介質(zhì)無關(guān)，易于控制變量.

利用泡騰片的這些特點(diǎn)，便可以將其應(yīng)用到許多需要大量產(chǎn)生氣體的物理實(shí)驗(yàn).一件實(shí)驗(yàn)器材或物品的好壞，除了取決于其在實(shí)驗(yàn)中的效果外，其在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的潛力也很重要.將已有的裝置和物品，盡可能多地應(yīng)用于不同的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，說明不同的物理原理，這是一種有效且經(jīng)濟(jì)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路[2].根據(jù)泡騰片的特性，廣大教師還可以把它應(yīng)用于更多的物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，開發(fā)設(shè)計(jì)出更多有趣的物理實(shí)驗(yàn).

參 考 文 獻(xiàn)

1孫藝，袁海泉，解問鼎.空氣浮力的演示實(shí)驗(yàn).物理教師，2014(2)：48

2陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論. 南寧：廣西教育出版社，2007.112～113