空气和水_物理及化学特性.pdf

武汉理工大学计算机学院 张能立 2009 12 1 科学精神 1 探索 2 质疑 3 逻辑 4 实证 如何学科学 1 首先学科学精神 2 其次学科学知识 科学小实验 能升空的气球 问题 气球为什么能升空呀 答案 气球里面的空气向下喷射时 气球 自身获得了向上的 反作用 力 这个 反作用 力推动气球往上运动 科学规律科学规律 动量守恒定律动量守恒定律 火箭原理与气球升空原理相同 问题 什么是空气 空气是指地球大气层中的气体混合 它 主要由 78 的氮气 21 氧气 还有许多 稀有气体和杂质组成的混合物 气体 气体 化学式 化学式 体积比 体积比 质量比质量比 氮 N 2 78 084 75 518 氧 O 2 20 942 23 135 氩 Ar 0 934 1 288 二氧化碳 CO 2 0 038 0 058 表 干燥空气在海平面的主要成分 问题 历史上 哪个科学家首先发现空气 是由多种气体组成的 长期以来人们一直认为空气是一种单 一的物质 直到后来法国科学家拉瓦锡 1743 1794 通过实验首先得出了空气是 有氧气和氮气组成的结论 19世纪末 科 学家们又通过大量的实验发现 空气里还 有氦 氩 氙等稀有气体 在自然状态下 空气是无味无臭的 法国科学家拉瓦锡 著名的 钟罩实验 拉瓦锡把少量的汞 水 银 放在密闭的容器里 连 续加热达十二天之久 结果 发现有一部分银白色的液态 汞变成了红色的粉末 同时 容器里的空气的体积差不多 减少了五分之一 拉瓦锡研 究了剩余的那部分空气 发 现这部分空气既不能供给人 类及动物呼吸来维持人类及 动物的生命 也不能支持可 燃物的燃烧 这种气体后来 被人们称之为氮气 拉瓦锡再把汞表面上所 生成的红色粉末 现已证明 是氧化汞 收集起来 放在 另一个较小的容器里经过加 热后 得到了汞和氧气 而 且氧气的体积恰好等于原来 密闭容器里所减少的空气的 那部分体积 他把得到的氧 气加到前一个容器里剩下的 约五分之四体积的气体里去 结果得到的气体同空气的物 理性质 化学性质都完全一 样 通过这些实验拉瓦锡得 出了空气是由氧气和氮气所 组成的这一结论 拉瓦锡与夫人的照片 拉瓦锡拉瓦锡 1743年8月26日 1794年5月8日 法国化学家 生物学家 他创立氧化说以解释 燃烧等实验现象 指出动物的呼 吸实质上是缓慢氧化 他倡导并 改进定量分析方法并用其验证了 质量守恒定律 他提出规范的化 学命名法 撰写了第一部真正意 义的化学教科书 这些划时代贡 献使得他成为历史上最伟大的化 学家之一 但是由于他的税务官 职务 在法国大革命中被斩首 后世尊称为化学之父 有没有哪个同学 能从拉瓦锡空气实验中体 会到 科学精神 科学精神 探索 质疑 逻辑 实证 1 探索 拉瓦锡拉瓦锡出生在一个律师家庭 家人 欲要他当律师 但他本人却对自然科学更 对自然科学更 感兴趣感兴趣 1761年他进入巴黎大学法学院学习 获得律师资格 课余时间他继续学习自然科 学 从鲁埃尔那里接受了系统的化学教育 2 质疑 1 世界万事万物是由什么东西组成的呢 古代中国 万事万物由 金 木 水 火 土 组成 这是由诸子 六家 阴阳家 儒 家 墨家 名家 法家 道家 中的 阴阳家 提出来的 万物的变化也是按照 金 木 水 火 土 来 奉天承运 皇帝诏曰 2 古代西方 在古希腊 公元前800年 公元前146年 哲学家恩培多克勒恩培多克勒认为 万事万物是由 土 气 水 火 组成 爱 使所有元素聚合 恨 使所有元 素分裂 这种观点在相当长的一段时间内 影响着人类科学的发展 3 古希腊人们普遍认为空气是单一元素 4 燃素说 为了解释 燃烧 这一 常见的化学现象 德国医生斯塔尔德国医生斯塔尔提出燃 素说 认为物质在空气中燃烧是物质失去 燃素 空气得到燃素的过程 燃素说可以 解释一些现象 因此很多化学家包括普利 斯特里和舍勒等人都拥护这一说法 普利斯特里普利斯特里更是将自己发现的氧气称为 脱 燃素空气 用来解释物质在氧气中燃烧 比空气中剧烈 但是燃素说始终难以解释 金属燃烧之后变重这个问题 一派人索性 认为这是因为测量的误差导致 另一派比 较极端的燃素说维护者甚至认为在金属燃 烧反应中燃素带有负质量 5 拉瓦锡依据已有的事实 敢于怀疑 燃 素说 于是就动手做了著名的 钟罩实验 3 逻辑 在 钟罩实验 中 随着液态的汞被加热 空气被汞 吸收 氧化 了 一方面容器内 的空气减少了 另外一方面有固态粉末出现 氧化汞 但给汞加热超过一定时间后 再怎么给汞加热 容器内的空气不继续减少 也没有新的粉末出现 如果 空气是单一成 分的话 这种现象从逻辑逻辑上是矛盾的 因 此 空气至少是由两种成分组成的 1 容器内剩下的气体 这种气体成分不活 泼 惰性 氮气 2 被液态汞 吸收 氧化 的气体 活 泼 氧气 4 实证 1 液态汞被加热 容器内空气减少了20 2 固态汞粉末 氧化汞 被加热 产生的 气体 活泼 氧气 体积恰好等于原来密闭 容器里所减少的空气的那部分体积 3 把得到的氧气加到前一个容器里剩下的 约五分之四体积的气体里去 结果得到的气体 同空气的物理性质 化学性质都完全一样 氧化学说氧化学说 在1777年的 燃烧概论 和 1778年的 酸性概论 中 拉瓦锡正式阐 释了自己的氧化说 认为燃烧是物质和空气 中约占五分之一的氧气反应的结果 同时基 于很多燃烧产物的水溶液具有酸性 他得出 任何酸中都含有氧的错误结论任何酸中都含有氧的错误结论 所以1779年他将空气中支持燃烧的一部分 命名为oxygen 希腊语 形成酸的 即氧气 另一部分命名为azote 希腊语 无生命的 即氮气 拉瓦锡一方面得出了正确的结论 一方面 又产生了错误的认识 后人在敬佩前人的探索精神和贡献的同时 也承担着纠正前人错误认识的历史使命 问题 空气有重量吗 如何实证 证明 历史上300多年前 著名的物理学家伽利略 1564 1642 所做的空气重量实验 1 把一个不漏水 不透气的皮袋 装满水 后 与玻璃瓶以 嘴对嘴 的方式连接起 来 皮袋的体积只有玻璃瓶的3 4 2 把皮袋口撒上水 依靠皮子见水收缩的特 性 使得皮袋口与玻璃瓶口密封起来 3 使劲挤压皮袋 使皮袋的水全部挤到玻璃 瓶里面去 然后将皮袋卷起来 4 原来满是空气的玻璃瓶 现在下面是水 上面是空气 水占玻璃瓶瓶3 4的体积 空 气占玻璃瓶1 4的体积 5 称一下玻璃瓶和皮袋总的重量 W1 6 取下皮袋 被压缩在玻璃瓶的空气会跑掉 一部分 然后再将皮袋重新和玻璃瓶对接 好 7 再重新称玻璃瓶和皮袋总的重量 W2 8 伽利略发现 W1 W2 于是得出结论 空气是有重量的 气温 空气的温度 1 天气预报中的温度就是指的是气温 2 气温是指地面附近空气在不受太阳辐射加 热或者地面热源加热的情况下的温度 3 在气象学中气温被定义为地面以上两米高 处的温度 气压 1 地球照片 蓝色弹珠 The Blue Marble 是一张在1972年12月7日由阿波罗17号太 空船船员所拍摄的著名地球照片 地球与大气层 大气层 1000千米 对流层 12千米 对流层直接影响人类生活 像风 雨 雷 电 云 雾 就发生在这一层 空气有压力 1 马德堡半球实验 1654年 奥拓 格里克 2 标准大气压 QNE 是指在标准大气条件 下海平面的气压 其值为101 325kPa 千 帕 或760mm汞柱高汞柱高 也就是说 一个标准大气压在1平方米面积上产生的压 力有1万多公斤 与一头大象的重量差不多 4 问题 为什么我们一般感受不到大气 空气 压力 首先由于长期进化的作用 我们人类已 经适应了在空气压力下生活 所以平常难以 感觉到大气 空气 的压力存在 其次 人 身上有很多小气包 它们产生的压力可以抵 消大气 空气 压力 问题 什么是热胀冷缩 物体受热时会膨胀 遇冷时会收缩 这 是由于物体内的粒子 原子 运动会随温度改 变 当温度上升时 粒子的振动幅度加大 令物体膨胀 但当温度下降时 粒子的振 动幅度便会减少 使物体收缩 问题 空气会 热胀冷缩 吗 如何实证 1 利用气球 矿泉水瓶 热水 冷水展示 空气的热胀冷缩现象 2 用气球 酒精灯 试管展示空气的热胀 冷缩现象 3 瘪乒乓球还原 热空气 普通空气加热就得到热空气 问题 热空气有哪些应用 请举例说明 1 热气球 2 孔明灯 压缩空气 压缩空气通常指保持在一定的压力下 大 于大气压的的空气 空气可以被压缩 这可以用打气筒实证 问题 压缩空气有何应用 请举例说明 1 玩具水枪 2 气枪 3 篮球 足球 排球 4 自行车轮胎 汽车轮胎 5 大型充气垫 6 消防充气垫 真空 科学家把没有空气的状态称为真空 可 以通过真空泵不断抽气来得到真空 真空 是没有空气 并不是什么都没有 现在科 学家已经证明 真空存在特殊的粒子 但 在一万亿份之几秒后又消失 然后又周而 复始地出现和消失 真空的应用 1 开水瓶和保温瓶的内胆 2 白炽灯 3 电视机显像管 气压与空气流动速度的关系 1 实验 双手拿住两张A4幅面大小的纸 使两张纸相隔一定距离 然后向两张纸中 间吹气 请问 两张纸是向外移动还是相 互靠拢 2 大风吹不翻名片 3 空气流速越高 气压 压强 越小 伯努利 荷兰 1700 1782 定律 什么是水 在常温常压下为无色无味的透明液体 水是地球上最常见的物质之一 是包括人 类在内所有生命生存的重要资源 也是生 物体最重要的组成部分 水在生命演化中 起到了重要的作用 人类很早就开始对水 产生了认识 东西方古代朴素的物质观中 都把水视为一种基本的组成元素 水是中国古 中国古 代五行代五行 金 木 水 火 土 之一 西方古 西方古 代的四元素代的四元素 土 气 水 火 说中也有水 水的化学性质 水是由氢 氧两种 元素组成的无机物 化学式 H 2 O 水的物理特性 1 水有3种形态 1 固态 冰 天气温度低于0 水开始结冰 高于 0 冰开始融化 为水 2 液态 水 在0 100 温度 范围内 水是以 液态方式存在 低于0 液态水 开始结冰 高于 100 液态水开 始变为水蒸气 3 水蒸气 问题 水结冰后 体积是变大 还是变小 如何实证 问题 为什么冬天池塘里面的水结冰后 冰 浮在水面上 而不下沉呢 冰比水轻 冰的密度比水的密度小 奥秘 在温度由0 上升到4 的过程中 水的密度逐渐加大 温度由4 继续上升的合 过程中 水的密度逐渐减小 水在4 时的密 度最大 水在0 至4 的范围内 呈现出 热缩冷胀 的现象 称为反常膨胀 问题 猜一猜 冬天结冰的池塘底部水的 温度是多少 为什么 用什么办法实证 池塘底部水的温度是4 这是因为 4 的水是最重的 密度最大 0 的冰 是最轻的 因此 冰就浮在水面上 从最 上面0 的冰 到池塘底部4 的水 之间 分布有1 的水 2 的水 3 的水 问题 想像一下 如果冰比水重 那么在 冬天 自然界中的河流会出现什么现象 北极附近的海洋会出现什么现象 水的沸点与压力的关系 1 压力越大 水的沸点温度越高 高压锅 2 压力越小 水的沸点温度越低 喜马拉雅山峰 因为高山上气压比平地 小 水烧到70度就 开 了 三个非常有趣的水与空气的实验 1 虹吸现象 2 回形针浮在水面上 3 吸水的杯子 空气不是单一气体 是由氮气 氧气 氩 气 二氧化碳等多种气体组成 空气是由多种气体组成的这一科学结论是 法国科学家拉瓦锡在18世纪用 钟罩实验 来实证的 空气有热胀冷缩现象 热空气可以用来制作热气球和孔明灯 压缩空气可以作为动力 有多种用途 离地面越高 大气压强 空气压力 越小 空气流速越大 大气压强越小 空气越稀薄 大气压强越小 水是氧原子和氢原子组成的 水有三态 固态 冰 液态 水 气 态 水蒸气 低于0 冰点 开始结 冰 高于100 沸点 开始气化 水在0 4 不符合 热胀冷缩 规律 反 而是 热缩冷胀 从而冰的密度比水的 密度小 水的沸点与大气压大小有