CO2熄滅蠟燭火焰實驗的再改進

陳勇+周良建

摘要：在已有參考文獻介紹的“通入法”和“隔離法”改進裝置的基礎(chǔ)上，對二氧化碳熄滅蠟燭火焰的實驗裝置作了進一步的優(yōu)化改進。所得新裝置具有構(gòu)思巧妙、裝置簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯、實驗成功率高等特點。探究還發(fā)現(xiàn)，若用干冰代替二氧化碳氣體進行實驗，則實驗現(xiàn)象更加直觀生動，實驗效果明顯提高。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；熄滅蠟燭；裝置設(shè)計；實驗改進

文章編號：1005–6629（2017）6–0068–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 實驗改進目的

1.1 概述及問題提出

“二氧化碳熄滅蠟燭火焰實驗”在初中化學(xué)各種版本教科書[1～4]中均有出現(xiàn)，它對于幫助學(xué)生認識“通常情況下，二氧化碳密度比空氣大，不能燃燒，也不支持燃燒的性質(zhì)”有著直觀的詮釋。但在實驗過程中，操作稍有不慎則會出現(xiàn)蠟燭不熄滅、上層蠟燭先熄滅或兩支蠟燭同時熄滅等情況。為此，很多教師選擇播放視頻，甚至講解實驗。讓原本直觀、生動、真實的學(xué)習(xí)場景無法呈現(xiàn)。

1.2 已有改進裝置

仔細分析同行們對該實驗進行的改進，發(fā)現(xiàn)實驗裝置大致分為以下兩類：

（1）以鄧九皋[5]，門波[6]，謝丹敏[7]為代表的“通入法”改進裝置（圖1）；

（2）以李靜芬[8]，李娜[9]，趙映荷[10]，周云標[11]，張道飛[12]，張明華[13]為代表的“隔離法”改進裝置（圖2）。

兩種類型方案各有優(yōu)點，其共同目的都是防止二氧化碳先與上層蠟燭接觸。

1.3 對比方案，優(yōu)化整合再改進

將教科書中該實驗裝置與已有改進裝置進行比較，不難看出教科書中實驗裝置設(shè)計簡單、操作便捷、容易觀察，但實驗成功率較低；已有改進實驗裝置雖然提高了實驗的成功率，但部分裝置還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、影響實驗觀察、不利于學(xué)生操作等不足。因此，將教科書實驗裝置與已有改進裝置進行優(yōu)化整合，邊改進、邊實驗驗證、邊總結(jié)便成為將該實驗進行再改進的總體思路。

對已有改進裝置進行實際操作和研究后發(fā)現(xiàn)，“通入法”改進裝置的優(yōu)點在于二氧化碳通過導(dǎo)管進入燒杯時氣流穩(wěn)定，且受外界空氣流動影響較小，有利于二氧化碳氣體快速進入燒杯底部促進實驗成功。“隔離法”改進裝置的優(yōu)點則是通過利用器材有效阻隔二氧化碳與上層蠟燭先接觸，從而達到實驗的預(yù)期效果。利用上述裝置的優(yōu)點，并汲取相關(guān)文獻[14～17]中關(guān)于該實驗的長處，對該實驗裝置再次進行優(yōu)化改進，經(jīng)過實踐總結(jié)，多次反復(fù)，最終得到具有如下優(yōu)點的新裝置。

2 再改進的實驗裝置制作

2.1 實驗用品

石灰石、稀鹽酸、0.2mm厚金屬鋁片、打孔器、蠟燭、火柴、250mL集氣瓶（1個）、500mL燒杯（1個）、玻璃片（以上實驗用品均在實驗室中可找到）

2.2 實驗裝置

實驗裝置由“寬背板”金屬階梯（以下簡稱“金屬階梯”）和燒杯兩部分組成。金屬階梯放入燒杯，a、b兩側(cè)與燒杯壁緊貼，c處與燒杯另一側(cè)底部和杯壁接觸（見圖3）。此時，燒杯內(nèi)分成A、B兩個區(qū)域（見圖4），點燃蠟燭后燒杯中A“冷”、B“熱”，B區(qū)空氣受熱迅速上升，造成A區(qū)冷空氣迅速下降形成空氣流動，便于A區(qū)倒入的二氧化碳迅速通過階梯下方懸空區(qū)域?qū)ο聦酉灎T形成“合圍”促使其先熄滅，最終使蠟燭由下至上依次熄滅。

2.3 “金屬階梯”制作

金屬階梯通常使用0.2mm厚的金屬鋁板制成，根據(jù)圖5所示將金屬板裁切為橫向“甲”字形，長×寬比例與燒杯大小關(guān)系如圖5、圖6所示，圖5中“K”長度略大于所用燒杯高度，“P”為階梯高度差；利用打孔器在階梯位置中部開孔，孔徑略小于蠟燭直徑，便于將蠟燭旋轉(zhuǎn)插入小孔并固定；最后按虛線折疊呈階梯狀，即可一次成型長期使用。

3 裝置的優(yōu)點

3.1 裝置簡單，操作簡便

經(jīng)過再改進的實驗裝置具有“器材少、操作少、失誤少”的優(yōu)點。整個裝置所用儀器僅三部分，即：金屬階梯（帶蠟燭）、燒杯和集氣瓶。裝置中蠟燭固定在金屬階梯小孔上，避免了實驗過程中蠟燭意外掉落。操作時取下集氣瓶口玻璃片，將二氧化碳從燒杯A區(qū)倒入而不影響實驗結(jié)果。

對二氧化碳傾倒快慢是否影響實驗結(jié)果的研究中發(fā)現(xiàn)，正常傾倒（略有快慢）的過程中使用該裝置對實驗結(jié)果不造成影響（見表1）。

3.2 師生可用，成功率高

通過多次實驗驗證，該裝置不僅適合教師在課堂中演示，更適用于學(xué)生分組實驗。近兩年，我校28個教學(xué)班使用該裝置進行課堂演示和學(xué)生分組實驗，成功率均為100%。

在對該裝置點燃蠟燭后以不同速度倒入二氧化碳進行實驗觀察記錄中發(fā)現(xiàn)（見表2），2min內(nèi)倒入二氧化碳，實驗成功率均為100%，有效避免了因蠟燭點燃時間過長，燒杯內(nèi)熱空氣上升，無法倒入二氧化碳氣體造成實驗失敗的情況。

3.3 巧用干冰，現(xiàn)象直觀生動

若將干冰放入集氣瓶中，利用升華吸熱產(chǎn)生呈“白霧”狀的二氧化碳氣體倒入燒杯，可“勾畫”出二氧化碳進入裝置的整個過程，使實驗現(xiàn)象直觀生動，更加利于學(xué)生理解二氧化碳的相關(guān)性質(zhì)。通過增加該實驗，讓學(xué)生對集氣瓶內(nèi)產(chǎn)生“白霧”現(xiàn)象進行觀察，并觸摸瓶壁，便于學(xué)生認識干冰的性質(zhì)及用途，有效填補了教材中對干冰用途介紹僅有文字描述和圖片展示的空白。

化學(xué)實驗的改進與優(yōu)化是化學(xué)教師探討的永恒話題，讓實驗裝置更簡單、實驗操作更方便、實驗現(xiàn)象更直觀、實驗結(jié)果更可靠勢必成為我們永遠追尋的目標。

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