湖北省武漢市第一初級(jí)中學(xué)(430024) 李少坤

湖北省武漢市長(zhǎng)虹中學(xué)(430064) 余勇軍

1 研究背景

現(xiàn)行義務(wù)教育9年級(jí)化學(xué)教科書中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)大都具有操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)較少、趣味性強(qiáng)的特點(diǎn)，這些實(shí)驗(yàn)使學(xué)生增強(qiáng)了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，也有助于提高其學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。但是有些實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中現(xiàn)象并不明顯或根本沒有出現(xiàn)書中所說的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；有些實(shí)驗(yàn)雖然可行，但是實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效果不理想。人教版義務(wù)教育教科書9年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第117頁(yè)，設(shè)計(jì)了“傾倒二氧化碳”熄滅蠟燭火焰的實(shí)驗(yàn)來(lái)比較二氧化碳與空氣密度的大小，并證明在通常情況下二氧化碳不能支持燃燒，也不能燃燒。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 傾倒二氧化碳

實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問題。一是兩支蠟燭同時(shí)在燒杯中燃燒釋放熱量，引起氣體受熱膨脹，向燒杯中傾倒二氧化碳時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩支蠟燭都不熄滅的現(xiàn)象。二是如果傾倒的角度、方向或速度控制不當(dāng)，還會(huì)出現(xiàn)高蠟燭先熄滅低蠟燭后熄滅，或者兩支蠟燭同時(shí)熄滅的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)失敗后，學(xué)生不能觀察到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，重新制取二氧化碳再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又會(huì)消耗一定的時(shí)間，還不能確保實(shí)驗(yàn)成功，教學(xué)節(jié)奏被打亂，對(duì)教學(xué)效果造成不良影響。三是如果兩支蠟燭燃燒時(shí)火焰較大，放出熱量較多，在燒杯口移開玻璃片的過程中，還會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者手部被燙傷的現(xiàn)象。

2 已有的改進(jìn)成果

針對(duì)該實(shí)驗(yàn)中存在的上述問題，許多研究者提出了眾多改進(jìn)方案，經(jīng)歸納總結(jié)，主要分為“通入法”和“隔離傾倒法”這兩種改進(jìn)方式。具體內(nèi)容如下。

2.1 通入法

王會(huì)有老師在《淺談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)》指出用圖2(A)所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通入二氧化碳?xì)怏w后，發(fā)現(xiàn)燃著的蠟燭由下而上依次熄滅，但不能得出“二氧化碳的密度比空氣的大”的結(jié)論，因?yàn)閷?dǎo)氣管末端位于燒杯底部，將二氧化碳?xì)怏w換成比空氣密度略小的氮?dú)鈺r(shí)，排出的氮?dú)庀瘸錆M燒杯底部，也能使燃著的蠟燭由下而上依次熄滅。因而采用向圖2(B)所示裝置中通入二氧化碳的方式對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。由于使用導(dǎo)管向燒杯內(nèi)通氣，按通常制取二氧化碳的速率，獲得足以使蠟燭熄滅所需的二氧化碳，需要一定的時(shí)間，而且兩支蠟燭在燒杯內(nèi)燃燒片刻后，會(huì)放出較多熱量，使燒杯壁發(fā)燙，燒杯內(nèi)的溫度升高，會(huì)導(dǎo)致從導(dǎo)管口流出的二氧化碳?xì)怏w受熱膨脹向上運(yùn)動(dòng)溢出。筆者用該裝置進(jìn)行多次嘗試，實(shí)驗(yàn)效果并不是很理想。

圖2 通入法改進(jìn)方式

2.2 隔離傾倒法

肖利輝在《9年級(jí)化學(xué)上冊(cè)教材幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)》中在燒杯內(nèi)一側(cè)放一塊玻璃片，使燒杯分隔成“燃燒區(qū)”和“傾倒區(qū)”，再?gòu)臒斜畴x蠟燭的一側(cè)(傾倒區(qū))緩緩將集氣瓶中的二氧化碳倒入，如圖3(A)所示。潘國(guó)榮、劉俊在《CO2熄滅蠟燭火焰實(shí)驗(yàn)小型化改進(jìn)》中采用了類似的方法，在燒杯中間放置長(zhǎng)玻璃立片，將燒杯內(nèi)部平分成兩個(gè)區(qū)域，如圖3(B)所示。

陳勇、周良建在《CO2熄滅蠟燭火焰實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)》中使用“寬背板金屬階梯”，點(diǎn)燃蠟燭后使燒杯內(nèi)分成“熱區(qū)”和“冷區(qū)”。熱區(qū)(燃燒區(qū))內(nèi)空氣受熱迅速上升，造成冷區(qū)(傾倒區(qū))內(nèi)空氣迅速下降形成空氣流動(dòng)，便于向冷區(qū)(背板后的傾倒區(qū)域)倒入的二氧化碳迅速通過階梯下方懸空區(qū)域，使燃著的蠟燭由下至上依次熄滅，如圖3(C)所示。

李娜在《傾倒二氧化碳熄滅階梯蠟燭實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)》中使用帶凹槽的臺(tái)階式木塊與玻璃槽組合而成的裝置，向左側(cè)較寬的凹槽處傾倒二氧化碳，二氧化碳從右側(cè)臺(tái)階處的凹槽孔流出，使燃著的蠟燭由下至上依次熄滅，如圖3(D)所示。

圖3 隔離傾倒法改進(jìn)方式

以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖然提高了實(shí)驗(yàn)成功率，但部分實(shí)驗(yàn)裝置制作較復(fù)雜，還有部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)需要二氧化碳的量較多，不便于推廣做學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。而且魏海、李德前、周梅華在《傾倒二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)需排除“煙囪效應(yīng)”的干擾》中通過實(shí)驗(yàn)研究，指出上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)均存在“煙囪效應(yīng)”的干擾，原因如下:由于使用擋板或帶凹槽的木塊將燒杯或玻璃槽分成了兩個(gè)區(qū)，即蠟燭燃燒形成的熱區(qū)和傾倒二氧化碳的冷區(qū)，當(dāng)蠟燭被點(diǎn)燃后，兩個(gè)區(qū)域存在一定的溫度差，形成的熱壓作用就會(huì)增強(qiáng)空氣對(duì)流，促進(jìn)二氧化碳?xì)怏w下沉，形成“煙囪效應(yīng)”，而且溫差越大，“煙囪效應(yīng)”越強(qiáng)。魏海等用燃燒線香時(shí)產(chǎn)生的白煙在燒杯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，有力地證明了該實(shí)驗(yàn)中“煙囪效應(yīng)”的存在，如圖4所示。他們指出如果傾倒的是密度比空氣小的氮?dú)饣虬睔猓部赡苁谷贾南灎T自下而上依次熄滅。

圖4 線香燃燒產(chǎn)生的白煙在燒杯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)

劉知新教授在《化學(xué)教學(xué)論(第五版)》中指出設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)要盡可能采用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，用較少的實(shí)驗(yàn)步驟和試劑，產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)還應(yīng)有利于在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)論、方法論和教學(xué)論功能。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，筆者以魏海等的研究成果及理念為基礎(chǔ)，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和平時(shí)的思考與積累，從實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法上采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

二氧化碳1瓶(125 mL)、燒杯2個(gè)(250 mL)、打火機(jī)1個(gè)、長(zhǎng)度相近的短蠟燭(長(zhǎng)度約2 cm)2支、鐵片支架1根。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。

圖5 創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的裝置

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

(1)點(diǎn)燃鐵片支架兩端的蠟燭后，向其中一個(gè)燒杯內(nèi)傾倒二氧化碳?xì)怏w，如圖6所示。

圖6 向燒杯中傾倒二氧化碳

(2)分別將兩支燃著的蠟燭緩慢放入兩個(gè)燒杯中，直至放入燒杯底部。

當(dāng)蠟燭處于燒杯上部或中部時(shí)，兩個(gè)燒杯中的蠟燭都能繼續(xù)燃燒，如圖7所示。

圖7 將燃著的蠟燭放在燒杯上部或中部

當(dāng)蠟燭處于燒杯下部或底部時(shí)，倒入二氧化碳的燒杯內(nèi)，蠟燭熄滅；未倒入二氧化碳的燒杯內(nèi)，蠟燭持續(xù)燃燒，如圖8所示。

圖8 將燃著的蠟燭放在燒杯下部或底部

3.4 創(chuàng)新改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便，實(shí)驗(yàn)用品容易獲取，且藥品用量較少，可廣泛應(yīng)用于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)和課外探究活動(dòng)。

(2)實(shí)驗(yàn)不受外界條件的影響，成功率高，且實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)程度高。從燒杯中取出蠟燭，將熄滅的蠟燭點(diǎn)燃后，再次將其緩慢放入兩個(gè)燒杯中，又會(huì)出現(xiàn)圖7、圖8所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且該操作可以重復(fù)進(jìn)行2～3次。

(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，可視性與趣味性強(qiáng)，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(4)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生體驗(yàn)對(duì)比研究物質(zhì)性質(zhì)的方法，提升實(shí)驗(yàn)探究能力。

(5)實(shí)驗(yàn)過程中沒有“煙囪效應(yīng)”的干擾。通過現(xiàn)象對(duì)比，學(xué)生很容易準(zhǔn)確得出在通常條件下，二氧化碳的密度比空氣的大，且不能支持燃燒，也不能燃燒的結(jié)論。

(6)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解“燈火實(shí)驗(yàn)”的原理，提升在地窖、深井或坑洞等環(huán)境中活動(dòng)時(shí)的安全意識(shí)。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的拓展改進(jìn)

“傾倒二氧化碳”熄滅蠟燭火焰的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄吭谕ǔl件下二氧化碳的密度比空氣大，且不能支持燃燒，也不能燃燒。為達(dá)到此目的，對(duì)此實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，可使裝置和操作進(jìn)一步簡(jiǎn)化，只需一個(gè)燒杯和一根小木條即可完成實(shí)驗(yàn)，拓展設(shè)計(jì)的內(nèi)容如下。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

(1)將木條點(diǎn)燃后，移開集氣瓶口的玻璃片(瓶中裝滿二氧化碳)，將燃著的木條放在集氣瓶口，觀察到木條不熄滅，如圖9(A)所示。

(2)瓶口對(duì)準(zhǔn)燃著的木條，將集氣瓶迅速倒轉(zhuǎn)過來(lái)，倒扣在火焰正上方，觀察到木條熄滅，如圖9(B)所示。

圖9 拓展改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)

4.2 拓展改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)用品少、裝置簡(jiǎn)單、操作方便，可極大節(jié)省教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)和課外探究活動(dòng)。

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，可視性與趣味性強(qiáng)，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

(3)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生體驗(yàn)對(duì)比研究物質(zhì)性質(zhì)的方法，提升實(shí)驗(yàn)探究能力。

(4)實(shí)驗(yàn)過程中沒有“煙囪效應(yīng)”的干擾。通過現(xiàn)象對(duì)比，學(xué)生很容易準(zhǔn)確得出在通常條件下，二氧化碳的密度比空氣大，且不能支持燃燒，也不能燃燒的結(jié)論。

(5)“證明二氧化碳是否集滿”是初中化學(xué)二氧化碳制取研究中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，人教版義務(wù)教育教科書9年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第115頁(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。將燃著的木條放在集氣瓶口證明二氧化碳是否收集滿時(shí)，還必須將導(dǎo)管伸入瓶底持續(xù)向瓶中通入氣體。在完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)，很多學(xué)生只注意了將燃著的木條放在集氣瓶口這步操作，而沒有注意將導(dǎo)管伸入瓶底持續(xù)向瓶中通入氣體這步操作，更沒有關(guān)注和理解這兩步操作的原因。拓展改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生關(guān)注和理解“證明二氧化碳是否集滿”實(shí)驗(yàn)的兩步操作和內(nèi)在原理。

圖10 證明二氧化碳是否集滿