空氣和人呼出氣體中水蒸氣含量探究的實驗改進

湖北省十堰市東風第三中學(442000) 侯 倩

湖北省十堰市東風第四中學(442000) 林 敏

1 實驗背景

根據(jù)人民教育出版社9年級化學上冊第一單元的教學內(nèi)容,筆者組織學生進行了實驗,教學活動安排如下。

1.1 探究

分別取2塊干燥的玻璃片或鏡片,對著其中1塊哈氣,對比觀察2 塊玻璃片或鏡片上發(fā)生的現(xiàn)象。由此得出結(jié)論,空氣中水蒸氣含量比呼出氣體中水蒸氣含量低。

1.2 實驗中存在的問題

1.2.1 實驗結(jié)論無法讓學生信服

放在空氣中的玻璃瓶無現(xiàn)象,但如果把冷藏后的玻璃瓶放在空氣中,瓶壁會出現(xiàn)水霧,說明空氣中含有水蒸氣,教材中溫度較高的呼出氣體遇干燥而冷的玻璃片表面也會出現(xiàn)水霧,說明空氣和呼出氣體中都含有水蒸氣。但是不足以證明空氣中水蒸氣含量比呼出氣體中水蒸氣含量低。教材中實驗,空氣和呼出氣體溫度不同,所以導致實驗現(xiàn)象差異,以9年級學生對相應(yīng)物理知識的掌握程度,該實驗很難讓學生信服實驗結(jié)論。

1.2.2 實驗現(xiàn)象不明顯

(1)氣溫影響

該實驗受氣溫影響較大,按教學進度此實驗時間大致在9月初,溫度相對較高,對著玻璃片哈氣很難觀察到明顯現(xiàn)象。

(2)器材影響

①玻璃片不干燥：有些學校的班級較多,上一節(jié)課一個班做了實驗,緊接著下一節(jié)課另一個班接著做,很多小組只是簡單用紙擦了玻璃片就對其哈氣,實際上玻璃片上還有水,所以現(xiàn)象不明顯。

②玻璃片不干凈：由于玻璃片在放置過程中會粘附少量灰塵,呼氣時水蒸氣與塵土接觸,觀察不到水霧出現(xiàn)。有的玻璃片上有污垢,對其哈氣時出現(xiàn)的是污垢的痕跡,而不是有水霧的現(xiàn)象。

2 實驗改進方案

2.1 實驗儀器及藥品

變色硅膠、Y 形管、2個U 型管、玻璃導管、橡皮管、棉花、2個鐵架臺、4個單孔橡皮塞、2個彈簧夾、濕度傳感器、分析天平、封口袋。

2.2 實驗設(shè)計思路

實驗裝置如圖1所示,用到了1 個Y 形管、2個U 型管,在U 型管中加入棉花和干燥劑。實驗時打開彈簧夾A、關(guān)閉彈簧夾B 吸氣,讓吸入的空氣通過左側(cè)U 型管,之后關(guān)閉彈簧夾A、打開彈簧夾B呼氣,讓呼出的氣體通過右側(cè)U 型管,吸氣呼氣交替進行,次數(shù)相等。用等質(zhì)量的干燥劑同時吸收水蒸氣,實驗前后分別稱量2只U 型管的質(zhì)量,計算出通入空氣的U 型管質(zhì)量變化Δm1以及通入呼出氣體的U 型管質(zhì)量變化Δm2,求出Δm2/Δm1的值。

圖1 干燥劑測量水蒸氣含量實驗裝置

濕度傳感器測定實驗裝置如圖2所示,同時測量空氣和呼出氣體中水蒸氣含量,求出比值。

2.3 實驗過程

(1)實驗前往U 型干燥管中塞一團棉花,防止呼吸時硅膠顆粒進入導管,堵塞導管。

(2)天平歸零,準確稱量干燥劑的質(zhì)量,為了控制變量,統(tǒng)一稱取2g干燥劑,裝入U 型管中。

(3)分別稱量2只U 型管的質(zhì)量,并記錄實驗數(shù)據(jù)。

圖2 濕度傳感器測量水蒸氣含量實驗裝置

(4)連接實驗裝置,開始實驗。實驗時打開彈簧夾A、關(guān)閉彈簧夾B 吸氣,讓吸入的空氣通過左側(cè)U 型管,之后關(guān)閉彈簧夾A、打開彈簧夾B 呼氣,讓呼出的氣體通過右側(cè)U 型管,吸氣呼氣交替進行,次數(shù)相等。

(5)觀察干燥劑顏色的變化,并再次稱量2只U 型管的質(zhì)量,記錄數(shù)據(jù)。

(6)計算出通入空氣的U 形管質(zhì)量變化Δm1以及通入呼出氣體的U 形管質(zhì)量變化Δm2,求出Δm2/Δm1的值。數(shù)據(jù)處理過程見表1。

可得出結(jié)論：呼出氣體中水蒸氣含量比空氣中水蒸氣含量高,且呼出氣體中水蒸氣含量是空氣中水蒸氣含量的2.24倍。

(7)再次探究——濕度傳感器

將2支濕度傳感器一支置于空氣中,另一支置于封口袋內(nèi),排盡袋內(nèi)空氣后,用玻璃管向袋內(nèi)呼氣直至示數(shù)穩(wěn)定,記錄實驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理,具體內(nèi)容見表2。

表1 對人體吸入的空氣和呼出的氣體中水蒸氣含量的探究

表2 用濕度傳感器測量

可得出結(jié)論：呼出氣體中水蒸氣含量為空氣中水蒸氣含量的1.56倍,與通過干燥劑測得的實驗數(shù)據(jù)差距不大。

3 實驗創(chuàng)新點

(1)克服氣溫影響、增強實驗效果：選用變色硅膠作為干燥劑,變色硅膠呈深藍色,吸收水蒸氣后會變成粉紅色,既可以通過顏色變化來顯示水蒸氣的多少,又可以作為干燥劑吸收水蒸氣。如果選用無水硫酸銅,無水硫酸銅遇水變藍,但是變藍的現(xiàn)象并不明顯。而且無水硫酸銅呈粉末狀,又有一定的毒性,在呼吸的過程中可能被吸入,對身體造成傷害。

(2)量化實驗結(jié)果：實驗由同一人吸氣呼氣交替進行,且吸氣呼氣次數(shù)相等,因此吸入的空氣和呼出氣體的體積大致相等,用等質(zhì)量的干燥劑同時吸收空氣和呼出氣體中的水蒸氣,再用分析天平進行稱量,得出水蒸氣含量。

使用濕度傳感器分別測量空氣和呼出氣體中的水蒸氣含量,讓數(shù)據(jù)更準確。

4 結(jié)束語

相比教材實驗,該創(chuàng)新實驗對學生實驗操作技能水平要求較高,如果學生實驗操作技能水平較低,對教學效果會有一定影響。同時,由于條件限制,無法在課堂上使用更精確的氣體流量計來計量通過干燥劑的空氣和呼出的氣體的體積,導致實驗有誤差,并且氣體中水蒸氣的含量與空氣濕度、個人體質(zhì)狀況以及干燥劑的吸收能力等因素有關(guān),所以實驗時應(yīng)選取多種干燥劑進行多次測量。