數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新*——空氣中氧氣含量測(cè)定的誤差分析及解決策略

高　俊武學(xué)良（1安徽省霍山第二中學(xué)　安徽　霍山　3700；合肥市海頓學(xué)?！“不蘸戏省?0000）

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數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新*——空氣中氧氣含量測(cè)定的誤差分析及解決策略

高俊1**武學(xué)良2
（1安徽省霍山第二中學(xué)安徽霍山237200；2合肥市海頓學(xué)校安徽合肥230000）

摘要：傳統(tǒng)空氣中氧氣含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏重于于定性，對(duì)燃燒物紅磷的選擇也有不足之處，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新，不僅讓實(shí)驗(yàn)生活化和科技化，而且使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更為精確和直觀化。

關(guān)鍵詞：氧氣含量測(cè)定；誤差分析；數(shù)字實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

*該實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲得2015安徽省實(shí)驗(yàn)說(shuō)課大賽一等獎(jiǎng)。

**通訊聯(lián)系人：E-mail：gaojun1975008＠sina.com

一、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在進(jìn)行2012人教版九年級(jí)化學(xué)第二單元課題一空氣教學(xué)時(shí)，演示實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣中氧氣含量（裝置如圖1），課堂上發(fā)現(xiàn)進(jìn)入集氣瓶中水的體積超過(guò)了五分之一，于是和學(xué)生一起分析實(shí)驗(yàn)不成功的原因。

圖1　

二、問(wèn)題分析

1.測(cè)量值偏小誤差分析及對(duì)策

（1）首先要檢查裝置的氣密性。

尤其是玻璃導(dǎo)管和橡皮塞連接的地方（圖1中A處）、橡皮塞塞入集氣瓶的部位（圖1中B處）、橡皮管連接玻璃導(dǎo)管的部位，這些都是容易漏氣的地方，用手握法檢查整個(gè)裝置的氣密性，如有漏氣，重點(diǎn)檢查這幾個(gè)部位，涂抹凡士林。如漏氣則集氣瓶?jī)?nèi)外難以形成理想的壓強(qiáng)差，導(dǎo)致進(jìn)水體積偏小。

（2）紅磷一定要足量，保證最大程度消耗瓶?jī)?nèi)氧氣。

紅磷在酒精燈上加熱點(diǎn)燃一定要充分，否則一進(jìn)入集氣瓶就熄滅；紅磷一定要足量，否則不能有效耗盡瓶?jī)?nèi)氧氣，導(dǎo)致進(jìn)水體積偏小。

（3）等到完全冷卻時(shí)觀察，否則由于瓶?jī)?nèi)剩余氣體受熱膨脹，阻止燒杯中的水流入集氣瓶，導(dǎo)致進(jìn)水體積偏小。

（4）橡皮管內(nèi)要注滿水（圖1中C處），否則有一部分水會(huì)因滯留在橡皮管內(nèi)而無(wú)法流入集氣瓶，導(dǎo)致進(jìn)水體積偏小。

2.測(cè)量值偏大誤差分析及對(duì)策

（1）橡皮塞上的直角彎管盡可能短，止水夾盡可能夾在離集氣瓶的橡皮管近端，夾得過(guò)遠(yuǎn)，則橡皮管內(nèi)氧氣也參與反應(yīng)，導(dǎo)致有過(guò)量的水流入集氣瓶，測(cè)量值偏大。

（2）止水夾一定要夾緊，甚至把橡皮管折疊再夾住，否則紅磷燃燒，瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹從未夾緊的橡皮管內(nèi)逸出，讓出更大空間，進(jìn)來(lái)過(guò)量的水，導(dǎo)致測(cè)量值偏大。

（3）將燃燒的紅磷插入集氣瓶?jī)?nèi)動(dòng)作要快，如果過(guò)慢，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹而逸出，讓出更大空間，會(huì)進(jìn)入更多體積的水導(dǎo)致測(cè)量值偏大。

三、改進(jìn)與創(chuàng)新研究

如果想要得到更為精確的測(cè)定結(jié)果，可以借助水，用量筒測(cè)量集氣瓶所裝空氣體積；然后倒入一定體積（量筒測(cè)量）的水入集氣瓶，防止高溫熔融物爆裂瓶底；實(shí)驗(yàn)結(jié)束用量筒測(cè)量集氣瓶?jī)?nèi)的水的體積，計(jì)算空氣中氧氣所占體積分?jǐn)?shù)。

即便如上所述，測(cè)定空氣中氧氣含量和教材中的21%也是懸殊較大，原因在于紅磷消耗氧氣的能力還不是最理想的，換句話說(shuō)，足量紅磷燃燒停止后，集氣瓶?jī)?nèi)還是有體積可觀的氧氣存在，這一點(diǎn)我們通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)得到證明。將錐形瓶放入冷水中，向瓶中放入一小塊白磷。點(diǎn)燃足量的紅磷迅速伸入錐形瓶中，塞緊瓶塞。觀察到紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，而瓶底的白磷沒(méi)有反應(yīng)。燃燒熄滅后待錐形瓶完全冷卻，取出擦干瓶外的水、置于石棉網(wǎng)上加熱，觀察到瓶底的白磷與瓶中的剩余氧氣反應(yīng)產(chǎn)生大量白煙。這說(shuō)明足量的紅磷燃燒并沒(méi)有把密閉容器中的氧氣耗盡。

為進(jìn)一步得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量測(cè)定：為了避免白磷燃燒產(chǎn)生高溫對(duì)氧氣傳感器的損壞，改用三頸燒瓶作反應(yīng)容器（圖2）。在瓶底放一點(diǎn)細(xì)砂，將白磷置于細(xì)砂上稍稍加熱點(diǎn)燃，白磷燃燒產(chǎn)生大量的煙。瓶中氧氣含量變化曲線如下，當(dāng)時(shí)間進(jìn)行至479秒時(shí)，氧氣濃度達(dá)到最低值3.21%。

圖2　

圖3　

師生共同查閱資料，經(jīng)過(guò)討論，可以利用還原性鐵粉與氧氣反應(yīng)。于是，我們找到生活中一種常見(jiàn)的原料——暖貼（即暖寶寶）來(lái)實(shí)驗(yàn)，它的發(fā)熱原理恰是利用鐵粉的緩慢氧化。取一塑料瓶剪去瓶底，2片暖貼粘在塑料瓶?jī)?nèi)壁，將氧氣傳感器伸入瓶?jī)?nèi)，密封、固定。把去底瓶子放到水槽中，將瓶?jī)?nèi)液面調(diào)整與水槽內(nèi)液面相平，采集數(shù)據(jù)，注意觀察數(shù)據(jù)的變化和塑料瓶?jī)?nèi)液面的變化，塑料瓶?jī)?nèi)水面慢慢上升，氧氣含量逐漸下降，瓶?jī)?nèi)水位，氧氣含量趨于0，最終穩(wěn)定在0.21%。

圖4　

上圖是定量測(cè)定的氧氣含量變化曲線。不難看出，前1000秒，即十幾分鐘內(nèi)氧氣含量下降很快，后來(lái)慢慢下降，4700秒左右穩(wěn)定在0.21%，瓶?jī)?nèi)氧氣幾乎耗盡。因此我們可以利用此法準(zhǔn)確測(cè)定空氣中氧氣的含量。

通過(guò)上述數(shù)字化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中粗略定性而缺乏實(shí)證的不足，讓實(shí)驗(yàn)效果直觀可視化，也培養(yǎng)了學(xué)生大膽質(zhì)疑小心求證的科學(xué)精神。

參考文獻(xiàn)

[1]王晶，鄭長(zhǎng)龍.義務(wù)教育教科書(shū)化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2012

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.034

文章編號(hào)：1008-0546（2016）01-0091-02

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