王文慧
摘要:通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明分子是不斷運(yùn)動(dòng)的是形成化學(xué)微粒觀的重要途徑。初中化學(xué)教材中研究分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)存在不足之處,針對(duì)不足進(jìn)行反思并提出針對(duì)性的解決方案。本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字化傳感器設(shè)備,不僅能通過(guò)數(shù)據(jù)曲線直觀感受構(gòu)成物質(zhì)的分子在不斷的運(yùn)動(dòng),而且可以探究溫度,分子種類等對(duì)運(yùn)動(dòng)速率的影響。該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,環(huán)保便捷,實(shí)驗(yàn)時(shí)間短,并可探究多因素對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的影響,可以顯著提高教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:數(shù)字化傳感器;分子運(yùn)動(dòng);實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新
文章編號(hào):1008-0546(2022)02x-0089-02
中圖分類號(hào):G632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.023
一、問(wèn)題的提出
分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象是人教版九年級(jí)化學(xué)教材上冊(cè)第三單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”課題一“分子和原子”的內(nèi)容,是帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入微觀世界的重要實(shí)驗(yàn)。教材通過(guò)濃氨水使酚酞溶液變紅這一現(xiàn)象,將宏觀的事實(shí)微觀化解釋,不僅能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力,還能激發(fā)學(xué)生抽象思維意識(shí),想象氨分子的存在和分子運(yùn)動(dòng)的微觀本質(zhì),把微觀知識(shí)形象化,有助于學(xué)生形成正確的微粒觀。
但利用教材中的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時(shí),會(huì)遇到一些問(wèn)題如:在教室進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),會(huì)有較多刺激性氣體逸散,污染教室空氣,學(xué)生難免恐慌,也影響師生健康;為達(dá)到所期效果,往往用量較多,且不可重復(fù)利用,造成大量浪費(fèi);實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)且只有靠前同學(xué)觀察到變紅現(xiàn)象,課堂教學(xué)效率比較低等。
針對(duì)以上諸多不足,許多化學(xué)教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多種多樣的微型化改進(jìn)和創(chuàng)新,也取得了良好的教學(xué)效果[1,2]。但這些大都是基于傳統(tǒng)的物質(zhì)間反應(yīng)后產(chǎn)生的顏色變化來(lái)逐一推導(dǎo)出微粒的運(yùn)動(dòng)性。本文則借助現(xiàn)有數(shù)字化傳感器設(shè)備,即時(shí)收集數(shù)據(jù),自動(dòng)生成曲線,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的研究、創(chuàng)新[3]。從環(huán)保、簡(jiǎn)單、直觀、高效等角度出發(fā),設(shè)計(jì)出相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)體系,簡(jiǎn)化操作步驟,通過(guò)數(shù)據(jù)直觀反應(yīng)構(gòu)成物質(zhì)的微粒運(yùn)動(dòng)情況且還能同時(shí)探究溫度,分子種類等對(duì)運(yùn)動(dòng)速率的影響,具體實(shí)驗(yàn)如下。
二、實(shí)驗(yàn)裝置
1.儀器與藥品
實(shí)驗(yàn)儀器:二氧化碳傳感器和氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、自制容器。
實(shí)驗(yàn)藥品:市售干冰、醫(yī)療用氧。
2.改進(jìn)后的裝置
在自制的玻璃容器中分別插入氧氣傳感器和二氧化碳傳感器,連接數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如圖1。
三、實(shí)驗(yàn)步驟
1.探究分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)一、在裝滿CO2的容器中插入氧氣傳感器,在裝滿O2的容器中插入二氧化碳傳感器,連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),待數(shù)值穩(wěn)定后,將盛有O2的容器(在上方)迅速與盛有CO2的容器(在下方)連通,如圖1右,觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化。
實(shí)驗(yàn)說(shuō)明:由于二氧化碳傳感器測(cè)量的極限值為10%左右,氧氣傳感器測(cè)量的極限值為32%左右,所以采用交互測(cè)量的方式。
2.探究影響分子運(yùn)動(dòng)速率的因素
實(shí)驗(yàn)二、在裝滿CO2的容器(在下方)中插入氧氣傳感器,在裝滿O2的容器(在上方)中插入二氧化碳傳感器,連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),待數(shù)值穩(wěn)定后,將盛有O2的容器(在上方)迅速與盛有CO2的容器(在下方)連通,并將實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行加熱,觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化。
四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析
1.探究分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)一:數(shù)據(jù)如圖2。
現(xiàn)象:實(shí)驗(yàn)開始后,兩物質(zhì)曲線上升,說(shuō)明
對(duì)應(yīng)容器中O2和CO2含量逐漸增高。
分析:構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子在不停的運(yùn)動(dòng)。
2.探究影響分子運(yùn)動(dòng)速率的因素
實(shí)驗(yàn)二:數(shù)據(jù)如圖3。
現(xiàn)象:實(shí)驗(yàn)開始后,兩物質(zhì)濃度曲線上升。對(duì)比實(shí)驗(yàn)一,氧氣在上方,加熱時(shí)O2和CO2濃度增高到相同數(shù)值時(shí)比不加熱時(shí)快。
分析:溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)速率越快。
五、實(shí)驗(yàn)反思
1.相同條件下,二氧化碳的密度比氧氣的密度大,密度大的氣體在上,結(jié)果如何?
實(shí)驗(yàn)三:連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),待數(shù)值穩(wěn)定后,將盛有O2的容器(在下方)迅速與盛有CO2的容器(在上方)連通,觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)如圖4。
現(xiàn)象:氣體相對(duì)分子質(zhì)量越大的在上,測(cè)得的兩氣體混合達(dá)到同樣極限濃度所用時(shí)間越短,速率越快。
分析:與實(shí)驗(yàn)一對(duì)比發(fā)現(xiàn),相對(duì)分子質(zhì)量大的氣體在上方時(shí),在重力作用下,分子運(yùn)動(dòng)速率明顯加快。
2.兩氣體上下混合時(shí),高度懸殊大,比較分子運(yùn)動(dòng)以及速率因素復(fù)雜,若盡可能排除重力差,即平放又會(huì)怎么樣?
實(shí)驗(yàn)四:連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),待數(shù)值穩(wěn)定后,盛有O2的容器迅速與盛有CO2的容器平放連通,觀察傳感器顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),裝置如圖1左,數(shù)據(jù)如圖5。
現(xiàn)象:平放連通時(shí),相同時(shí)間內(nèi),氧氣濃度變化比二氧化碳濃度變化快(如圖5)。
分析:以上四個(gè)實(shí)驗(yàn)中,在相同時(shí)間內(nèi)都是氧氣濃度變化更快,說(shuō)明相對(duì)分子質(zhì)量越小,分子運(yùn)動(dòng)速率越快。
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
以上實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:
1.分子在不斷運(yùn)動(dòng);
2.說(shuō)明溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)速率越快;
3.分子種類不同,運(yùn)動(dòng)速率不同,相對(duì)分子質(zhì)量越小,分子運(yùn)動(dòng)速率越快。義務(wù)教育階段的化學(xué)教育就是要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從在原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì),認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的變化規(guī)律,形成化學(xué)的基本觀念,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實(shí)踐能力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[4]。本實(shí)驗(yàn)打破傳統(tǒng)采用物質(zhì)反應(yīng)的現(xiàn)象觀察,通過(guò)直觀的數(shù)據(jù)來(lái)反應(yīng)構(gòu)成物質(zhì)的微粒的運(yùn)動(dòng)情況。該實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)性,還可以探究影響分子運(yùn)動(dòng)速率的因素,一舉多得,提高資源利用率。實(shí)驗(yàn)中利用傳感器對(duì)物質(zhì)濃度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤,增強(qiáng)結(jié)論的說(shuō)服力,并有助于培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想、宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)中用到的干冰與醫(yī)療用氧將實(shí)驗(yàn)藥品生活化,實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,與教材的實(shí)驗(yàn)形成對(duì)比,引導(dǎo)學(xué)生形成節(jié)約、保護(hù)環(huán)境等觀念,落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。
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