美国科学教材：第4课气体有密度吗？

物质科学教师用书 第四课 空气有密度吗 第 1 页 第四课第四课 气体有密度吗气体有密度吗 探究探究 1 课时课时 1 2 概念 概念 气体有质量和体积 真空是没有物质的空间 学生活动 学生活动 观察空气占据空间 设计一个实验过程 实验中使用有限的一套仪器确定空气的近似密度 确定空气的近似密度 讨论对实验准确性的限制 概述概述 学生已经测量出固体和液体的质量和体积 并且已经使用了这些计算密度的方法 这 节课 他们讨论怎样确定一个空气样本的质量和密度 以及跟随一个被班级同意的过程计 算空气的近似密度 然后班级结果作为实验错误的可能来源讨论的基础 背景背景 因为空气是看不见的 很多学生发现要理解空气是物质很难 大多数学生将不会意识 到空气有质量 一旦学生发现空气占据空间以及空气的质量能够被测量 气体是一种物质 形式的观点就比较容易抓住了 在探究 4 1 中 学生通过以下的方法来确定空气的密度 先测量一个装了空气的塑料 瓶的体积和质量 然后使用一个简单的手动真空泵将部分空气从瓶中排出 然后重新测量 被排出部分空气之后的瓶的质量 前后质量之差就等于从瓶中排出的那部分空气的质量 因为瓶是硬的 所以它所受的浮力保持不变并且不影响结果 因为空气本身的低密度和瓶中气体成分仅有一部分真空 使用泵获得 测得的瓶中 空气体积和质量就是一个近似值 必然导致最后得到的空气密度是一个不精确的数值 空 气密度随着温度和压强的变化而变化 在 1 个大气压和 20 时 空气密度近似值是 1 2 10 3g cm3 不要期望学生能精确地得出空气密度 如果学生能在课结束是已经测量 了空气质量和体积以及得出了一个空气密度的数值 那么你就应当认为这堂课成功了 空气被作为气体的一个例子是因为学生对它很熟悉 它有相对固定的形态 并且它的 密度可以被测量 然而空气是一种气体混合物 不是单一的 纯的物质 学生得到的 空气密度值严格来讲不能看作一种典型特性 这节课中得到空气密度数值的过程也可以被 修改应来测量其他气体的密度 这就是延伸 1 的基础 空气的组成成分在初级读本 空气 要点 中被讨论 具体在学生指南第四课的结尾部分 读本中 绝对密度 学生指南第 34 页 以及伴随的问题提供了一个探讨 纯 气体密度的机会 学生的错误概念学生的错误概念 测量空气密度使学生对于气体的错误概念引起注意 学生可能会有以下错误概念 学生可能会错误地将燃料气体比如天然气和汽油与术语 气体 联系起来 学生可能会因为气体是流动的 错误的认为空气有 负质量 或 负重量 学生可能错误地认为漂浮在空气中的物体抵消重力 学生可能错误地认为空气压力和气体压力相当于密度 很多学生已经暴露出在气象学 背景下理解气压的概念 他们可能完全不理解气体压强指的是每单位面积受到的力量 在此情况下使用气压这个术语 气体压强有很多测量标准 N m2或者帕斯卡 也有其 物质科学教师用书 第四课 空气有密度吗 第 2 页 他单位类型 包括气压单位 磅 平方英寸和毫米汞柱 这个概念与密度完全不同 密 度是测量每单位体积的质量 但是 压强和密度之间存有关系 高压下气体比低压下 的气体的密度大 这是因为气体微粒在高压下靠的更近 第四课材料第四课材料 教师 教师 漏斗和试管装置 连有塑料管的注射器 2 个 试管架 1 个 加有红色食用着色剂的水大约 200ml 学生装置 1 套 学生 学生 学生报告纸 4 1 探寻空气密度的拷贝 1 份 4 人小组 人小组 实验托盘 1 个 厚壁塑料瓶 1 个 带有橡胶阀 塞子的真空泵 1 个 橡胶垫圈 1 个 100ml 量筒 1 个 附加 1 个电子称和水 准备工作 准备工作 1 为每一位学生准备 1 份学生报告纸 4 1 探寻空气密度 2 在 200ml 水中添加几滴红色食用着色剂 开始 开始 1 介绍课程 给学生展示漏斗装置 见图示 4 1 在试管架上竖好装置 解说一个漏斗 是用塞子密封的 而另一个则是松散地放置与试管开口 2 请一位学生到班级前面把染过色的水倒漏斗 见图示 4 2 请学生在他们的科学记录 本上记录下他们所观察到的 学生应当试着解释为什么液体不能流进带有塞子的那支 试管 强调类似以下的答案 试管里充满着空气 空气占据了试管的全部空间 空气不能逃出去 3 拓展讨论液体会流进另一支试管的原因 典型的回答可能有 空气能够逃出去 液 体把空气挤出了试管 图示 4 1 一个简单装置展示空气占据空间 老师做演示实验 将相同体积的水分别倒进试 管 A 和 B 的漏斗 图示 4 2 在试管 A 中 因为试管内存在空气所以水留在了漏斗里 在试管 B 中 水取代了 空气的位置 4 演示注射器装置 见图示 4 3 压一个注射器 在全班传递装置 询问学生为什么当 他们将其中一个注射器往里压的时候 另一个会往外移动 学生要在他们的科学记录 本上写下他们的观点 强调学生以下这些解释 空气移动 空气被推动 空气占 据空间 5 询问学生这两个实验告诉他们有关空气的什么 给他们几分钟将回答记录下来 物质科学教师用书 第四课 空气有密度吗 第 3 页 6 讨论他们的观点以及强调两个实验都展示出通常被认为空的空间里 实际上包含着东 西 在这里是空气 学生已经知道物质是有质量和体积的 从以上两个实验 现在他 们知道了空气也有体积 7 询问学生以下问题 A 空气有质量吗 B 有什么证据证明空气有质量 一些学生可能会提到空气压强或风的感觉 C 如果空气有质量 你怎样测量它呢 图示 4 3 检查你已经密封了连接处 保证一个注射器充满着空气和另一个的活塞是完全推 上的 探究探究 4 1 探寻空气密度探寻空气密度 过程步骤过程步骤 1 学生分组 每组一位成员领取一个放有实验仪器的托盘 2 给学生说明他们托盘里的实验仪器 指明仪器每一个部分的名称 告诉每一组他们有 10 分钟时间设计一个方案 使用这些仪器和一个电子称来确定空气的密度 不要演示 或解释泵怎样使用 提醒他们要确定任何物质的密度都必须知道它的质量和体积 学 生应该在记录本上简要地列出他们的想法 3 10 分钟后 询问学生想到的测量空气密度的方法建议 寻找到一个包括以下这些的步 骤 测量装有空气的瓶的质量 使用泵排掉空气 测量被排出部分空气之后的瓶的质 量 见图示 4 4 同时 学生应当提供一个探知塑料瓶体积近似值的方法 将瓶中装 满水 然后测量它的体积 这是最直接的方法 图示 4 4 学生按照图示组装瓶 塞子和垫圈 4 学生列出步骤之后 鼓励他们获得一个更加准确的步骤 在一张幻灯片上或在黑板上 写下这个步骤过程 这个准确的步骤还是可以改变 但是一个有效的过程应当包括以 下几个要素 A 通过在瓶中装满水然后将水倒进量筒里测量水的体积来得到瓶子体积的近似值 B 求得装空气的瓶子 垫圈和橡胶阀的质量 C 使用泵将空气移出瓶子 D 重新称瓶 垫圈和阀的重量 E 计算从瓶中移出的空气的质量 F 计算空气的密度 5 请一位学生做测量塑料瓶体积的那一步 小心不要把瓶子的外面弄湿 因为这将改变 质量 质量上很小的变化都将使整个探究变为无效 让每一小组都使用此次体积读数 物质科学教师用书 第四课 空气有密度吗 第 4 页 6 让学生在学生报告纸 4 1 上记下一致通过的实验过程 注意注意 如果你要用两课时来完成教学 此处是一个很好的打断课程的地方 在教授第二课 前 先复习这个步骤 7 指导每一组测量空气密度 学生应当将他们的结果记录在学生报告纸第二步的他们自 己的结果记录表上 然后他们应完成学生报告纸中的第三步和第四步 8 要求学生在完成探究实验后把他们的实验仪器都归还到托盘 9 询问统计每组计算出来的空气密度 将结果记录在幻灯片或黑板上 反应反应 1 讨论空气的密度与液体与固体的密度比较中 学生们在先前的课堂中所遇到的困难 学生们应当认识到气体密度大约比液体和固体的密度小一千倍 2 问学生们所获得的空气密度值为什么会有如此大的不同 有何想法 让他们写在学生 的答纸上 以下是可能出现实验性错误的原由 1 保存在瓶子里的空气数量不同 因为抽出不同数量的空气 2 在阀门 垫圈与瓶颈之间的不完全的一个封印 3 在测量物体质量时的不精确 因为一些干扰例如在天平上呼吸或在桌子上有倾斜 4 瓶子的体积不同 3 对于每个差错的原因 让学生提出可能纠正的方法 4 给学生们几分钟的时间在学生的答纸上面 回答以下问题 为什么有些物体在空气中 飘浮 讨论学生们的建议 学生们能提供例子吗 为什么这些物体会飘浮 试着探究 出答案 概括到这个 密度 上来 家作家作 让学生门阅读 空气气压 第 35 37 页 他们应当使用来自与读本与本课中的信息来 回答其中一个附带的问题 演示知识演示知识 科学科学 1 让学生们使用在本课中运用的相同的设备来设计一个实验去测量氮气的密度 学生们 能够区分一个空瓶与氮气瓶的质量 在大气压下 从气缸中取得的氮气 通过使用如 此一个方法 学生们会提出什么样的问题 他们需要怎样来改进设备 2 叫学生们回答以下问题 空气是怎样被用来控制潜水艇的浮与沉的 在他们的回答中 应讨论密度的作用 科学科学 科学研究科学研究 3 让学生们阅读 致命的密度 第 34 页 这章中解释密度知识是怎样被运用到研发战 争武器中去的 并回答相关的问题 物质科学教师用书 第四课 空气有密度吗 第 5 页