气体分子运动实验在理化教学中的设计与改进.doc

气体分子运动实验在理化教学中的设计与改进贵州省雷山县第三中学【557199】潘国荣 白显圣【摘要】分子，既是初中物理与化学科教学的难点又是重点，利用实验形象地展示分子的运动，物理教师和化学教师都作了不同的设计和改进。文章分别对部分物理、化学教师的设计与改进作综合性简介，并介绍了我们的最新研究成果。【关键词】分子运动；实验；设计；改进；发展分子是微观粒子，看不见摸不着，比较抽象，学生难于接受和理解。如何利用实验形象地展示分子的运动情况，是物理、化学教科书及教师、教研员等一直关注的问题。有关“分子运动”的实验，无论是物理教师还是化学教师都进行了积极的设计和改进，取得了良好的教学效果。下面分别对部分物理、化学教师的一些设计与改进作综合性简介，并介绍我们的最新研究成果。一、 物理科的设计与改进高中物理课本首先是用空气与二氧化碳进行实验，后来吴振远老师【1】用氨气代替二氧化碳进行了改进。二是采用机械运动模拟演示：高中物理为了加强分子运动论的基本知识教学，1982年四川省教学仪器公司【2】组织试制了“气体分子运动演示器”的实验仪器，该仪器通以低压直流电后，小电动机就高速旋转，通过传动机构带动活塞作上下往复运动，塑料小球受激动作无规则跳动，以说明分子的无规则运动等。三是借助化学反应方法说明：陈志清【3】老师在1989年用烧杯、玻璃缸、浓氨水、酚酞试液进行了与现行初中化学教材相类似的实验改进。四是装置实行封闭化改进：初中物理教材改用红棕色的二氧化氮气体在上下两个口对口的集气瓶之间的扩散来说明气体分子运动的。针对实验操作过程中二氧化氮气体容易外逸，造成污染的问题，王宗斌【4】老师在2002年用玻璃导管、乳胶管、止水夹、橡胶塞等把两个集气瓶连接起来，让两个集气瓶并排放在一起，进行了封闭化改进。五是借助化学原理进行仪器化设计与改进：针对大型学校中二氧化氮气体课前准备繁琐、演示效果不明显（后排观察不到）、逸散有害健康、课后处理不便等问题，张合晓【5】老师在2007年设计了“分子运动演示仪”的改进。将两个透明的有机玻璃杯，用连接圈连接在一起，在一个杯子上加一个控制阀，另一只杯子上配两支与杯子相通的一次性注射器，就组成了一个分子运动演示仪。它采用铜与浓硝酸反应现场产生二氧化氮，用浓氢氧化钠溶液吸收二氧化氮，使整个NO2分子的产生NO2的分子运动NO2分子的回收在一个密闭的容器里进行。演示仪体现了绿色环保的理念。二、化学科的设计与改进在初中化学课程标准【6】实施以前的化学教材中并没有分子运动的演示实验。我们查到的资料是，杨彦华与郑增仪【7】老师在1987年设计作了气体分子运动的实验。1.氨的分子运动：在一长条滤纸上，每一厘米滴一小滴无色酚酞试液，将滤纸装入大试管中，将滴有酚酞滤纸的正面向着学生，竖放着。再用一小团滴有数滴氨水的脱脂棉塞住试管口。就可观察到试管中离脱脂棉最近的第一个试液斑点最先改变颜色，由无色变为红色。随后按脱脂棉由近到远的方向依次呈现出红色斑点。2.氨和氯化氢气体扩散速度的比较：取一长条滤纸，每间隔一厘米滴一小滴混合指示剂，放入硬质玻璃管内，水平地固定在铁架台上。用两小团脱脂棉分别蘸上等量的浓氨水和浓盐酸，放入玻璃管的两端，用橡皮塞将管口塞紧，观察滤纸条的变色情况。滤纸条的一端由黄绿色斑点依次变为蓝色，另一端则依次变成红色。但变色的速度并不相等，蓝色斑点比红色斑点变色要快，数量也多，并且在红蓝斑点的交界面形成一个个白色烟圈。李桂先【8】老师在1994年用滤纸、水槽、大玻璃板、小烧杯、酚酞试剂、浓氨水、胶水、泡沫块和树枝（或酸奶塑料瓶）等物品，是把它设计为分子运动趣味性实验提出来的。方法是滤纸剪成花瓣贴在树枝上，花瓣滴上酚酞试液，把树枝、盛浓氨水的小烧杯放入水槽中，用玻璃板或另一水槽封盖。一会儿，花瓣逐渐由浅入深变成红色。果美祥【9】老师用铝合金架、约50cm硬质玻璃管（可用废日光灯管）等制作了分子运动演示管的教具。初中化学课程标准设计的有关科学探究学习的案例：“例1 烧杯中的溶液为什么变红？”设计采用大烧杯罩住A装入20mL蒸馏水并滴入23滴酚酞试剂的小烧杯与B装入10mL浓氨水的小烧杯一起，观察A中的溶液变成红色。此后依据初中化学课程标准编写的各种版本义务教育化学教材基本采用这个模式进行演示实验或探究实验。标准与教材所设计的实验，最大的问题是药品用量偏多、浪费大、浓氨水挥发性强、刺激性气味大，既污染环境又影响师生的身心健康等。对此问题，老师们纷纷作了新的设计和改进。一是仪器与药品替代：钟琛与何艳【10】老师于2007年用250mL集气瓶、燃烧匙、橡胶塞、无水硫酸铜、大约70热水等用品设计了一个无环境污染的实验方案。二是装置封闭化：钟琛与何艳【10】老师还同时用125mL集气瓶、70mm12mm小试管、橡胶塞、线、浓氨水、酚酞试液等进行了封闭化改进。三是自制教具演示实验：魏彦昆【11】老师在2008年用玻璃罐头瓶、浓氨水、酚酞试液、滤纸、铜丝、胶水、沙子等制作了一个分子运动演示器。四是装置微型化：陈年安【12】老师在2010用20mL一次性注射器2支、带盖青霉素小瓶1个、废圆珠笔芯4支、四号胶塞1个、哥俩好胶1盒、150mm300mm木板一块、废圆珠笔杆1支、粘得牢胶1盒、气球、线等，制作了一个微型实验装置。五是环保型改进：刘霞与刘京利【13】老师在2010年用干燥试管（15 mm150 mm）1 支，带孔胶塞 1 个，废弃输液管上带针座的细软管 1 段（15 cm）, 滴液壶上的胶帽 1 个，注射器 2 支（2.5 mL），医用小药瓶，细铜丝（2cm），滤纸条，无色酚酞试液，浓氨水，稀硫酸等进行环保型设计改进。六是封闭化微型冷热对比实验：石琼与谢铁山【14】老师在2012年用浓氨水、蒸馏水、酚酞试液、试管、U形管、注射器（无针头）、橡皮塞、棉纱布、滴管等设计封闭化微型冷热对比实验装置。七是氨水可重复利用的封闭装置：代道强【15】老师在2012年用废旧矿泉水(纯净水)瓶2个，宽透明胶1圈，橡皮塞2个，小铁夹1个，小药瓶1个(根据所选塑料瓶口径的大小选择注射用头孢美唑钠、参麦注射液等废药瓶)，浓氨水，无色酚酞溶液，滤纸条等设计制作了氨水可重复利用并能进行冷热对比实验的封闭装置。化学方面的设计与改进较多，各具特色，不再列举。 三、我们设计的微型封闭简单化改进1.实验用品25或50mL量筒、橡胶塞、白色棉布条、玻璃导管、浓氨水、无色酚酞试液、胶头滴管、脱脂棉。 2.两种改进方案方案一：在橡胶塞中间打孔，插入玻璃导管，控制距离量筒底大约0.5cm，与橡胶塞面平或略低；取一小条白色棉布，一头放进量筒后能贴在量筒内壁上，一头拉下量筒外壁使量筒立起不滑落，让白色棉布条的下端距离量筒底大约1cm左右，如图1所示。实验时，取出白色棉布条，滴加无色酚酞试液润湿，把白布条放进量筒后固定贴靠在量筒内壁上；安好装置，用胶头滴管对准橡胶塞上的导管口滴加23滴浓氨水后，用透明胶封住导管口位置。观察量筒里白色棉布条颜色的变化。 方案二：在橡胶塞小的一头打一个小孔，塞入一个小棉花团；取一小条白色棉布，一头放进量筒后能贴在量筒内壁上，一头拉下量筒外壁使量筒立起不滑落，让白色棉布条的下端距离量筒底大约1cm左右，如图2所示。实验时，取出白色棉布条，滴加无色酚酞试液润湿，把白色棉布条放进量筒后固定贴靠在量筒内壁上；用胶头滴管对准橡胶塞上的棉花团滴加23滴浓氨水后塞入量筒口。观察量筒里白色棉布条颜色的变化。3.改进装置图 图1 图24.改进装置的优点（1）实验用仪器最少，实验室里有现成的，不需要另外添加和特殊加工；（2）量筒能够自立，不需要另外固定；布条放、取都很方便；（3）装置简单明了，学生能够组装，没有干扰因素，便于观察；（4）药品用量很少，白色棉布条可以重复使用，节约。（5）实验微型化与封闭化，没有污染，符合现代绿色环保理念；（6）装置容器内空间小，实验需要时间短，现象明显，提高效率；（7）按图1装置实验可以通过玻璃导管滴加稀硫酸来消除量筒中氨的气味；按图2装置实验，直接在棉花团上滴加稀硫酸来消除量筒中氨的气味；（8）本改进非常适合用作学生的探究实验，增加学生动手动脑机会；（9）按两种改进方案同时做，让氨气分别同时从上向下与从下向上运动，进行对比观察，增加了实验的探究性和趣味性；（10）按图1装置实验，可以放在不同温度的冷、热水中进行实验，对比温度对分子运动速度的影响，增进学生对分子运动的进一步认识。备注：本文是我校开展的，中国化学会化学教育委员会基础教育“十二五”规划2012年规划课题初中化学新课程实验设计与创新研究（课题批准号：HJ2012-0034）的系列成果之一。参考资料1吴振远.气体扩散实验J.物理通报.1956,11月号：6966972刘成林.气体分子运动演示器J.物理实验.1982,2（3）：119120 3陈志清.谈谈分子运动实验的改进J.物理教学.1989,（6）：434王宗斌.气体的分子运动实验装置改进J.湖北中小学实验室.2002,12（6）:305张合晓.气体扩散实验的设计J.中国现代教育装备.2007，（8）：1191206教育部制订.全日制义务教育化学课程标准M.北京：北京师范大学出版社，20017杨彦华，郑增仪.气体分子运动的实验J.化学教育.1987,（4）：198李桂先.有趣的分子运动的演示实验J.化学教学.1994,（6）：159果美祥.分子运动演示管J.教学仪器与实验.2003,（3）：3610钟琛，何艳.分子运动实验的几种改进方案J.实验教学与仪器.2007,（4）：211