用“多维思维”优化“空气中氧气体积分数”的实验设计

用“多维思维”优化“空气中氧气体积分数”的实验设计

王佳英

镇海区古塘中学 浙江宁波 315200

【摘要】：

测定空气中氧气体积分数的实验是华师大版七下科学中的一个重要实验。虽然实验目的是通过此实验得出氧气的体积分数，但是过程中对实验进行操作、安全、数据的优化及对实验现象思考的深化，其中体现的多维思维方式才是我们所需倡导的。

【关键词】：

优化 多维思维

【正文】：

测定空气中氧气体积分数的实验是华师大版七下科学中的一个重要实验，在书本中采用了红磷燃烧消耗氧气的原理，利用集气瓶、烧杯、燃烧匙、双孔橡胶塞、乳胶管、弹簧夹等实验器材进行实验探究。

此套实验器材已经在华师大版原版（钟罩实验）基础上进行了改编，但依然存在一些问题，比如，在点燃红磷后塞子塞进去时会出现增大实验误差、污染空气的情况；实验中测得的数据需要借助于实验者事先把集气瓶5等分的线条才能判断，既增加了实验操作的繁琐度，也使得测得的数据不够准确；在红磷燃烧中，气体膨胀有可能从橡胶管中溢出等等。

那么，我们可以在哪些维度对“空气中氧气体积分数”的测定实验进行优化设计和改进呢？

维度一：从点燃方式上进行操作优化

本实验因为点燃红磷是在瓶外，所以产生了数据偏差及环境污染的问题。那么，有没有一些方式可以直接在瓶内点燃呢？我们可以利用物理的方法——比如电加热方式、凸透镜聚焦方式、激光笔方式、热水加热方式、金属导热方式或是化学的方法——氧化钙与水反应产生热量等进行瓶内点燃的操作。

维度二：从化学用品的选择上进行安全优化

红磷燃烧产生的五氧化二磷有毒，是否可以采用一些无毒的化学用品来替代红磷消耗氧气，从而测定氧气体积分数？当然可以，我们可以用铁粉生锈消耗氧气，铜粉加热消耗氧气、木炭燃烧消耗氧气（但此实验中需要用氢氧化钠溶液代替水）、用食品脱氧剂消耗氧气等。

维度三：从实验装置上进行数据优化

由于书本实验中水进入集气瓶的多少依靠实验者事前画刻度线的方式进行，操作上麻烦，且数据不够精准，所以可以尝试选择使用一些有刻度的实验器材，比如量筒、带刻度的玻璃管、注射器（辅助气球），以获得较为精准的数据。

维度四：从实验现象上进行思维优化

“空气中氧气含量测定的实验”，依据的原理是空气中的氧气被充分消耗。在反应中，氧气含量在发生变化，温度在发生变化，压强在发生变化，在系列变化中，我们需要突破现象寻找到本质，从而加深对实验的理解。

例1：集气瓶总体积为c，预先装入水的体积为a，实验结束冷却至室温，集气瓶中水的体积为b。

问1：集气瓶中预先装入的水，除了快速降温，吸收产生的P₂O₅，还有什么作用？

答1：液封，防止气体从长管跑出。

问2：集气瓶中的液面将如何变化？为什么？

答2：集气瓶中的液面先下降后上升。液面“先下降”是因为红磷燃烧产生热量，使得集气瓶内压强增大，从而把集气瓶中的水压入烧杯中；而“后上升”则是因为集气瓶内氧气消耗，使得集气瓶内压强减小，烧杯中的水进入集气瓶。

例2：试管容积40mL，注射器容积为60mL，实验开始时活塞在20mL刻度处

问1：若先夹紧弹簧夹，实验结束后冷却至室温，再松开弹簧夹，活塞如何运动？最后停留在什么位置？

答1：活塞向左运动（原因：试管中氧气被消耗，气压减小）

最后停留在12mL刻度处（原因：夹紧弹簧夹，消耗的是试管中40mL空气中的氧气，且氧气为其中的1/5，即8mL，所以活塞最后停留的位置=20mL-8mL=12mL）

问2：若不使用弹簧夹，整个实验过程中活塞如何运动？最后停留在什么位置？

答2：活塞先向右再向左运动

（原因：先向右——白磷燃烧产生热量，使得集试管中压强增大；

后向左——试管中氧气被消耗，气压减小）

最后活塞停留在8mL刻度处（原因：未使用弹簧夹，消耗的是【试管中40mL空气+注射器20mL空气=60mL空气】中的氧气，且氧气为其中的1/5，即12mL，所以活塞最后停留的位置=20mL-12mL=8mL）

例3：装置气密性良好。

调节右边敞口容器和集气瓶里的水面相平，此时集气瓶内气体的体积为V₁。

关闭活塞，点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，待火焰熄灭后，过一段时间打开活塞，观察到集气瓶中的水位上升。待集气瓶内的水面不再上升时，集气瓶内的气体体积为V₂。

然后向右边容器内加入一定量的水至两边水面再次相平，此时集气瓶内的气体体积为V₃。

问1：在整个实验过程中，集气瓶中减少的氧气体积为多少？

答1：V₁-V₃

问2：在实验过程中，测量V₁和V₃的过程中，都出现了“调节两边的水面相平”这一操作，请问其中的原因是什么？

答2：由于集气瓶内氧气的消耗，所以瓶内压强减小，水进入集气瓶，集气瓶中液面和右边敞口容器的液面出现了高度差，存在液体压强，此时【集气瓶内的气体压强+高度差液体产生的液体压强=大气压】，所以实际上集气瓶内的气体压强会小于大气压。而我们知道，气体的体积会受到压强、温度等因素的影响，所以我们要确保实验中测试气体体积时压强要保持一致，V

₁测试时左右水面相平，即此时测试的是大气压下的体积，同理，V₃也是左右水面相平，此时测试的也是大气压下的体积，这样两个体积才有可比性。

从点燃方式上进行操作优化、从化学用品的选择上进行安全优化、从实验装置上进行数据优化、从实验现象上进行思维优化，不同维度的思考让学生在实验中养成了分析和整合的能力，提升了思考的格局，形成了创造性思维，并建立了理解问题的高阶思维模式。

【参考文献】：

1. 《初中科学课程标准》2011年版（北京师范大学出版集团）

2. 《初中科学实验的改进与创新》吴利文（浙江科学技术出版社）

3. 《初中科学实验创新和疑难解决》徐珺（浙江教育出版社）