王文慧
摘要:通過實驗證明分子是不斷運動的是形成化學(xué)微粒觀的重要途徑。初中化學(xué)教材中研究分子運動現(xiàn)象的實驗存在不足之處,針對不足進(jìn)行反思并提出針對性的解決方案。本實驗采用數(shù)字化傳感器設(shè)備,不僅能通過數(shù)據(jù)曲線直觀感受構(gòu)成物質(zhì)的分子在不斷的運動,而且可以探究溫度,分子種類等對運動速率的影響。該實驗操作簡單,環(huán)保便捷,實驗時間短,并可探究多因素對分子運動的影響,可以顯著提高教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:數(shù)字化傳感器;分子運動;實驗創(chuàng)新
文章編號:1008-0546(2022)02x-0089-02
中圖分類號:G632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.023
一、問題的提出
分子運動現(xiàn)象是人教版九年級化學(xué)教材上冊第三單元“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驗。教材通過濃氨水使酚酞溶液變紅這一現(xiàn)象,將宏觀的事實微觀化解釋,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,想象氨分子的存在和分子運動的微觀本質(zhì),把微觀知識形象化,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)行實驗探究時,會遇到一些問題如:在教室進(jìn)行演示實驗,會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;實驗時間長且只有靠前同學(xué)觀察到變紅現(xiàn)象,課堂教學(xué)效率比較低等。
針對以上諸多不足,許多化學(xué)教師對該實驗進(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)生的顏色變化來逐一推導(dǎo)出微粒的運動性。本文則借助現(xiàn)有數(shù)字化傳感器設(shè)備,即時收集數(shù)據(jù),自動生成曲線,對實驗進(jìn)行深入的研究、創(chuàng)新[3]。從環(huán)保、簡單、直觀、高效等角度出發(fā),設(shè)計出相對封閉的實驗體系,簡化操作步驟,通過數(shù)據(jù)直觀反應(yīng)構(gòu)成物質(zhì)的微粒運動情況且還能同時探究溫度,分子種類等對運動速率的影響,具體實驗如下。
二、實驗裝置
1.儀器與藥品
實驗儀器:二氧化碳傳感器和氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、自制容器。
實驗藥品: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)采集器和計算機,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如圖1。
三、實驗步驟
1.探究分子運動現(xiàn)象
實驗一、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)采集器和計算機,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,觀察實驗數(shù)據(jù)變化。
實驗說明:由于二氧化碳傳感器測量的極限值為10%左右,氧氣傳感器測量的極限值為32%左右,所以采用交互測量的方式。
2.探究影響分子運動速率的因素
實驗二、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)采集器和計算機,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,并將實驗裝置進(jìn)行加熱,觀察實驗數(shù)據(jù)變化。
四、實驗現(xiàn)象與分析
1.探究分子運動現(xiàn)象實驗一:數(shù)據(jù)如圖2。
現(xiàn)象:實驗開始后,兩物質(zhì)曲線上升,說明
對應(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動。
2.探究影響分子運動速率的因素
實驗二:數(shù)據(jù)如圖3。
現(xiàn)象:實驗開始后,兩物質(zhì)濃度曲線上升。對比實驗一,氧氣在上方,加熱時O2和CO2濃度增高到相同數(shù)值時比不加熱時快。
分析:溫度越高,分子運動速率越快。
五、實驗反思
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?
實驗三:連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機,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,觀察實驗數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)如圖4。
現(xiàn)象:氣體相對分子質(zhì)量越大的在上,測得的兩氣體混合達(dá)到同樣極限濃度所用時間越短,速率越快。
分析:與實驗一對比發(fā)現(xiàn),相對分子質(zhì)量大的氣體在上方時,在重力作用下,分子運動速率明顯加快。
2.兩氣體上下混合時,高度懸殊大,比較分子運動以及速率因素復(fù)雜,若盡可能排除重力差,即平放又會怎么樣?
實驗四:連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機,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驗數(shù)據(jù),裝置如圖1左,數(shù)據(jù)如圖5。
現(xiàn)象:平放連通時,相同時間內(nèi),氧氣濃度變化比二氧化碳濃度變化快(如圖5)。
分析:以上四個實驗中,在相同時間內(nèi)都是氧氣濃度變化更快,說明相對分子質(zhì)量越小,分子運動速率越快。
六、實驗結(jié)論
以上實驗可以得出以下結(jié)論:
1.分子在不斷運動;
2.說明溫度越高,分子運動速率越快;
3.分子種類不同,運動速率不同,相對分子質(zhì)量越小,分子運動速率越快。義務(wù)教育階段的化學(xué)教育就是要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從在原子、分子水平上認(rèn)識物質(zhì),認(rèn)識物質(zhì)世界的變化規(guī)律,形成化學(xué)的基本觀念,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實踐能力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[4]。本實驗打破傳統(tǒng)采用物質(zhì)反應(yīng)的現(xiàn)象觀察,通過直觀的數(shù)據(jù)來反應(yīng)構(gòu)成物質(zhì)的微粒的運動情況。該實驗不僅可以驗證構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子的運動性,還可以探究影響分子運動速率的因素,一舉多得,提高資源利用率。實驗中利用傳感器對物質(zhì)濃度變化進(jìn)行動態(tài)跟蹤,增強結(jié)論的說服力,并有助于培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想、宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。在實驗中用到的干冰與醫(yī)療用氧將實驗藥品生活化,實驗裝置簡單,與教材的實驗形成對比,引導(dǎo)學(xué)生形成節(jié)約、保護環(huán)境等觀念,落實化學(xué)核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的培養(yǎng)。
參考文獻(xiàn)
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[2]郭濤.巧設(shè)變式實驗裝置探究分子運動現(xiàn)象[J].化學(xué)教與學(xué),2019(9):72-74.
[3]高偉.數(shù)字化實驗在化學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教與學(xué),2021(1):83-84.
[4]楊劍春等著.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)評價引領(lǐng)[M].南京:南京師范大學(xué)出版社,2019.
1763500520312