指向銜接九年級(jí)化學(xué)的“氣體的壓強(qiáng)”補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)

摘 要：在現(xiàn)行多版本八年級(jí)物理教材中，“氣體壓強(qiáng)”與溫度、密度變化關(guān)系，或不作要求，或一帶而過，然而卻在九年級(jí)化學(xué)的學(xué)習(xí)中被頻繁使用.針對(duì)這種學(xué)科間知識(shí)脫節(jié)現(xiàn)象，亟需教師探索一套用于補(bǔ)充教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案.

關(guān)鍵詞：銜接;氣體壓強(qiáng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）24-0037-03

作者簡(jiǎn)介：葉鳴揚(yáng)（1990- ），男，江蘇南京人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、學(xué)科融合.

1 問題背景——化學(xué)教師反映教學(xué)存在困難

在九年級(jí)化學(xué)教學(xué)過程中，許多現(xiàn)象分析、結(jié)論得出都要用到物理知識(shí).這些物理知識(shí)并不會(huì)在化學(xué)教材中詳細(xì)說明，而是直接運(yùn)用.據(jù)化學(xué)教師反映，多數(shù)學(xué)生對(duì)需要用到的物理知識(shí)存在掌握不牢、一知半解甚至毫無印象的狀況.顯然這些學(xué)生存在同學(xué)段學(xué)科間知識(shí)脫節(jié)問題，而這一問題在“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)上尤為突出.

1.1 密閉空間內(nèi)的氣壓隨溫度的升高而增大——學(xué)生對(duì)這一規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)

如圖1所示的化學(xué)實(shí)驗(yàn)：檢查裝置的氣密性.用手緊握試管，如水中導(dǎo)管口有氣泡冒出，說明裝置不漏氣.針對(duì)這一方法，教材并未解釋其物理原理，只是在正文中以括號(hào)的形式加入夾注“（為什么？）”.顯然，教材編寫者認(rèn)為，剛上九年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)掌握相關(guān)物理知識(shí)，無需教材解釋，學(xué)生可以回答.

筆者隨機(jī)詢問部分學(xué)生“為什么？”，很少有學(xué)生能聯(lián)系氣壓與溫度的關(guān)系這部分知識(shí).而要用到這一關(guān)系分析的問題還有很多.再如圖2所示實(shí)驗(yàn)：制取氧氣.氧氣制取結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)先取出水槽中的導(dǎo)管，后熄滅酒精燈.如果步驟顛倒，則會(huì)導(dǎo)致水被倒吸入試管，引起試管驟然遇冷而炸裂.學(xué)生對(duì)產(chǎn)生上述后果的原因的理解狀況同樣不理想.

1.2 密閉空間內(nèi)的氣壓隨密度的增大而增大——學(xué)生對(duì)這一規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)

如圖3所示的化學(xué)實(shí)驗(yàn)：測(cè)量空氣中氧氣含量.打開彈簧夾之前，盛滿空氣的集氣瓶處于密閉狀態(tài)（局部有少量水）.紅磷燃盡瓶?jī)?nèi)氧氣并充分冷卻后，打開彈簧夾，燒杯中的水會(huì)被“吸”入集氣瓶，直至瓶中水平面上升至容積1/5.

筆者與學(xué)生交流后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍可以說出水被“吸”入集氣瓶的原因是瓶?jī)?nèi)氣壓小于外界大氣壓，水是被大氣壓壓入集氣瓶.但被問及：瓶?jī)?nèi)氣壓為何會(huì)變小時(shí)，多數(shù)學(xué)生不能聯(lián)系氣壓與密度關(guān)系.

類似問題還存在于“二氧化碳的溶解性”實(shí)驗(yàn)，如圖4所示.向集滿二氧化碳的軟質(zhì)塑料瓶中倒入體積約為1/3的水，教材要求學(xué)生根據(jù)塑料瓶慢慢變扁的現(xiàn)象分析原因.

2 反思困難根源，設(shè)計(jì)銜接教學(xué)

以蘇科版初中物理教材為例，蘇科版物理《教師教學(xué)用書》對(duì)“§10.3氣體的壓強(qiáng)”一節(jié)提出如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過實(shí)驗(yàn)，感受大氣壓的存在;

（2）知道測(cè)量大氣壓強(qiáng)的方法，學(xué)會(huì)估計(jì)大氣壓的數(shù)值;

（3）通過實(shí)驗(yàn)，了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系及其在生活中的應(yīng)用，能簡(jiǎn)單解釋飛機(jī)如何獲得升力;

（4）通過觀察和探究，養(yǎng)成關(guān)注周圍現(xiàn)象的意識(shí)，掌握研究未知問題的方法.

教學(xué)目標(biāo)和教材主要圍繞“大氣壓”進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提到氣壓與流速、海拔和空氣濕度有關(guān)，但沒有涉及密閉空間內(nèi)氣壓與溫度、密度的關(guān)系.此處物理教學(xué)目標(biāo)和化學(xué)學(xué)習(xí)需求之間存在明顯脫節(jié)，這是造成很多學(xué)生在初學(xué)化學(xué)時(shí)感到困難的重要原因之一.

筆者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人教版、教科版等義務(wù)教育階段物理教材，都沒有對(duì)密閉空間內(nèi)氣壓與溫度、密度的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)探究與總結(jié).

因此，筆者在“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)中，加入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“初探影響密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)大小的因素”，嘗試填充這一空白.補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究，知道密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)不一定等于大氣壓;

（2）通過實(shí)驗(yàn)探究，知道密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨溫度升高而增大;

（3）通過實(shí)驗(yàn)探究，知道密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨密度增大而增大;

（4）運(yùn)用探究得出的結(jié)論，解釋教材中一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原理.

3 補(bǔ)充部分教學(xué)過程——初探影響密閉空間氣體壓強(qiáng)大小的因素

3.1 第一環(huán)節(jié)（對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)1）

教師舉起敞口空礦泉水瓶，向?qū)W生提問：瓶?jī)?nèi)的氣壓是不是大氣壓？學(xué)生易答：是.通過逐層深入追問，讓學(xué)生理解，當(dāng)某部分氣體與外界大氣聯(lián)通且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它的氣壓就是大氣壓.

如圖5所示，教師用橡皮膜、橡皮筋將瓶口封死，再問：此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓是否還是大氣壓？氣壓值是否等于大氣壓？你又是如何得出結(jié)論？通過該組問題串，讓學(xué)生理解，密閉空間氣體與大氣隔絕，不能稱為大氣壓;但此時(shí)內(nèi)部氣壓仍然等于大氣壓，可以通過“橡皮膜表面平整”這一現(xiàn)象推知.

教師用力捏瓶子，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)橡皮膜外凸，提問：此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓是否還等于大氣壓？你是如何得出？學(xué)生不難回答：橡皮膜外凸，受壓后瓶?jī)?nèi)氣壓大于外界大氣壓.

教師請(qǐng)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)，密閉空間的氣壓大小可能與哪些因素有關(guān).學(xué)生會(huì)猜測(cè)：溫度、密度、體積等因素.

3.2 第二環(huán)節(jié)（對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)2）

教師連接圖6裝置.U形管是學(xué)生在學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)時(shí)已經(jīng)熟悉的器材.筆者這里改用U形管兩側(cè)液面高度差反映密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)大小變化，學(xué)生更容易接受.

起初用彈簧夾封住橡皮管，此時(shí)試管至彈簧夾一段氣體可以視作密閉空間內(nèi)氣體.效仿化學(xué)實(shí)驗(yàn)“檢查裝置氣密性”，采用手捂的方式對(duì)試管內(nèi)氣體進(jìn)行加熱.教師手捂試管10秒后，打開彈簧夾，發(fā)現(xiàn)U形管與試管相連的一側(cè)，液面變低（如圖7所示）.這說明之前密閉空間內(nèi)氣壓增大.

引導(dǎo)學(xué)生得出定性結(jié)論：密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨溫度升高而增大.

3.3 第三環(huán)節(jié)（對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)3）

如圖8所示，將試管和玻璃導(dǎo)管更換為膠頭滴管，夾緊彈簧夾，此時(shí)膠頭滴管至彈簧夾一段氣體可以視作密閉空間內(nèi)氣體.為防止手的溫度改變膠頭滴管內(nèi)氣體溫度，我們將膠頭滴管固定在另一鐵架臺(tái)上，通過旋轉(zhuǎn)螺絲擠壓膠頭，改變密閉空間氣體體積、密度.

擠壓膠頭后，再次打開彈簧夾，發(fā)現(xiàn)U形管中與滴管相連一側(cè)，液面變低（如圖9所示）.這再次說明之前密閉空間內(nèi)氣體氣壓增大.

進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生得出定性結(jié)論：密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨密度增大而增大.教師提示，改變密度不僅可以通過改變體積實(shí)現(xiàn)，還可以通過改變質(zhì)量實(shí)現(xiàn).

3.4 第四環(huán)節(jié)（對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4）

回顧本節(jié)引入實(shí)驗(yàn)：體驗(yàn)大氣壓的存在（如圖10所示）.請(qǐng)學(xué)生根據(jù)所得結(jié)論解釋現(xiàn)象.

瓶口剛?cè)舷鹌つ嗟乃查g，內(nèi)外氣壓近似相等.隨著冷卻過程推進(jìn)，罐內(nèi)溫度降低，罐內(nèi)大量水蒸氣發(fā)生液化，導(dǎo)致罐內(nèi)氣體溫度和密度均降低，所以罐內(nèi)氣壓降低.而外界大氣壓不變，故易拉罐被壓癟.

教師還可以讓學(xué)生解釋“生活·物理·社會(huì)”中“冷水助沸”問題（如圖11所示）.

燒瓶中水被加熱至沸騰后，停止加熱，堵住瓶口，將燒瓶倒置.向瓶底澆適量冷水后會(huì)發(fā)現(xiàn)瓶?jī)?nèi)的水重新沸騰.這是因?yàn)槠績(jī)?nèi)大量水蒸氣遇冷迅速液化，瓶?jī)?nèi)氣體密度降低，氣壓下降，水的沸點(diǎn)也降低.當(dāng)水的沸點(diǎn)低于水的溫度時(shí)，即可重新沸騰.

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)如下：由理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT可推知p=nVRT，其中p為氣體壓強(qiáng)、V為氣體體積、T為熱力學(xué)溫度、R為理想氣體常量8.31J/（mol·K）、n為氣體物質(zhì)的量.若氣體質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為μ，由n=mμ又可推出p=1μ·mVRT=RμρT.可見，在氣體種類確定情況下，密閉空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨密度增大而增大，隨溫度升高而增大.由于無法對(duì)八年級(jí)學(xué)生進(jìn)行上述推導(dǎo)教學(xué)，故本實(shí)驗(yàn)僅需得出初步定性結(jié)論即可.

作為教師，我們既不能只教教材，也不應(yīng)局限在本學(xué)科“考試范圍”內(nèi)各自為戰(zhàn)，而應(yīng)該著眼于培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與促進(jìn)學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，不僅要知道學(xué)生眼下需要什么，還要注重學(xué)生在將來發(fā)展過程中可能會(huì)需要什么.正是在這種思想指導(dǎo)下，本實(shí)驗(yàn)被引入課堂，既可以讓新課實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到解釋，又能讓學(xué)生知識(shí)體系更加完善，以便為學(xué)生今后化學(xué)學(xué)習(xí)做好銜接準(zhǔn)備.

參考文獻(xiàn)：

[1]李燕妙.大氣壓強(qiáng)系列實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].中學(xué)物理，2020，38（18）：37-39.

[2]費(fèi)志明.基于思維品質(zhì)的“大氣壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2020，38（09）：32-35.

[3]錢曉東.以情境促真實(shí)體驗(yàn) 以感知助概念建構(gòu)——以“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（30）：39.

[4]丁憶凡.多維實(shí)驗(yàn)課堂 玩轉(zhuǎn)規(guī)律教學(xué)——以“氣體壓強(qiáng)2”一課為例[J].新課程（中學(xué)）， 2018（09）：72.

[5]唐成晨.五版本初中物理《大氣壓強(qiáng)》對(duì)比分析及教學(xué)啟示[J].理科考試研究，2019，26（18）： 39-43.

（收稿日期：2021-07-17）