巧用現(xiàn)代化設備探究分子運動

王文慧

摘要：通過實驗證明分子是不斷運動的是形成化學微粒觀的重要途徑。初中化學教材中研究分子運動現(xiàn)象的實驗存在不足之處，針對不足進行反思并提出針對性的解決方案。本實驗采用數(shù)字化傳感器設備，不僅能通過數(shù)據(jù)曲線直觀感受構成物質的分子在不斷的運動，而且可以探究溫度，分子種類等對運動速率的影響。該實驗操作簡單，環(huán)保便捷，實驗時間短，并可探究多因素對分子運動的影響，可以顯著提高教學效果。

關鍵詞：數(shù)字化傳感器;分子運動;實驗創(chuàng)新

文章編號：1008-0546（2022）02x-0089-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.023

一、問題的提出

分子運動現(xiàn)象是人教版九年級化學教材上冊第三單元“物質構成的奧秘”課題一“分子和原子”的內(nèi)容，是帶領學生進入微觀世界的重要實驗。教材通過濃氨水使酚酞溶液變紅這一現(xiàn)象，將宏觀的事實微觀化解釋，不僅能培養(yǎng)學生的觀察能力，還能激發(fā)學生抽象思維意識，想象氨分子的存在和分子運動的微觀本質，把微觀知識形象化，有助于學生形成正確的微粒觀。

但利用教材中的方法進行實驗探究時，會遇到一些問題如：在教室進行演示實驗，會有較多刺激性氣體逸散，污染教室空氣，學生難免恐慌，也影響師生健康;為達到所期效果，往往用量較多，且不可重復利用，造成大量浪費;實驗時間長且只有靠前同學觀察到變紅現(xiàn)象，課堂教學效率比較低等。

針對以上諸多不足，許多化學教師對該實驗進行了多種多樣的微型化改進和創(chuàng)新，也取得了良好的教學效果[1，2]。但這些大都是基于傳統(tǒng)的物質間反應后產(chǎn)生的顏色變化來逐一推導出微粒的運動性。本文則借助現(xiàn)有數(shù)字化傳感器設備，即時收集數(shù)據(jù)，自動生成曲線，對實驗進行深入的研究、創(chuàng)新[3]。從環(huán)保、簡單、直觀、高效等角度出發(fā)，設計出相對封閉的實驗體系，簡化操作步驟，通過數(shù)據(jù)直觀反應構成物質的微粒運動情況且還能同時探究溫度，分子種類等對運動速率的影響，具體實驗如下。

二、實驗裝置

1.儀器與藥品

實驗儀器：二氧化碳傳感器和氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、自制容器。

實驗藥品：市售干冰、醫(yī)療用氧。

2.改進后的裝置

在自制的玻璃容器中分別插入氧氣傳感器和二氧化碳傳感器，連接數(shù)據(jù)采集器和計算機，進行數(shù)據(jù)采集，如圖1。

三、實驗步驟

1.探究分子運動現(xiàn)象

實驗一、在裝滿CO2的容器中插入氧氣傳感器，在裝滿O2的容器中插入二氧化碳傳感器，連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，待數(shù)值穩(wěn)定后，將盛有O2的容器（在上方）迅速與盛有CO2的容器（在下方）連通，如圖1右，觀察實驗數(shù)據(jù)變化。

實驗說明：由于二氧化碳傳感器測量的極限值為10%左右，氧氣傳感器測量的極限值為32%左右，所以采用交互測量的方式。

2.探究影響分子運動速率的因素

實驗二、在裝滿CO2的容器（在下方）中插入氧氣傳感器，在裝滿O2的容器（在上方）中插入二氧化碳傳感器，連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，待數(shù)值穩(wěn)定后，將盛有O2的容器（在上方）迅速與盛有CO2的容器（在下方）連通，并將實驗裝置進行加熱，觀察實驗數(shù)據(jù)變化。

四、實驗現(xiàn)象與分析

1.探究分子運動現(xiàn)象實驗一：數(shù)據(jù)如圖2。

現(xiàn)象：實驗開始后，兩物質曲線上升，說明

對應容器中O2和CO2含量逐漸增高。

分析：構成物質的微觀粒子在不停的運動。

2.探究影響分子運動速率的因素

實驗二：數(shù)據(jù)如圖3。

現(xiàn)象：實驗開始后，兩物質濃度曲線上升。對比實驗一，氧氣在上方，加熱時O2和CO2濃度增高到相同數(shù)值時比不加熱時快。

分析：溫度越高，分子運動速率越快。

五、實驗反思

1.相同條件下，二氧化碳的密度比氧氣的密度大，密度大的氣體在上，結果如何？

實驗三：連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，待數(shù)值穩(wěn)定后，將盛有O2的容器（在下方）迅速與盛有CO2的容器（在上方）連通，觀察實驗數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)如圖4。

現(xiàn)象：氣體相對分子質量越大的在上，測得的兩氣體混合達到同樣極限濃度所用時間越短，速率越快。

分析：與實驗一對比發(fā)現(xiàn)，相對分子質量大的氣體在上方時，在重力作用下，分子運動速率明顯加快。

2.兩氣體上下混合時，高度懸殊大，比較分子運動以及速率因素復雜，若盡可能排除重力差，即平放又會怎么樣？

實驗四：連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機，待數(shù)值穩(wěn)定后，盛有O2的容器迅速與盛有CO2的容器平放連通，觀察傳感器顯示的實驗數(shù)據(jù)，裝置如圖1左，數(shù)據(jù)如圖5。

現(xiàn)象：平放連通時，相同時間內(nèi)，氧氣濃度變化比二氧化碳濃度變化快（如圖5）。

分析：以上四個實驗中，在相同時間內(nèi)都是氧氣濃度變化更快，說明相對分子質量越小，分子運動速率越快。

六、實驗結論

以上實驗可以得出以下結論：

1.分子在不斷運動;

2.說明溫度越高，分子運動速率越快;

3.分子種類不同，運動速率不同，相對分子質量越小，分子運動速率越快。義務教育階段的化學教育就是要引導學生學會從在原子、分子水平上認識物質，認識物質世界的變化規(guī)律，形成化學的基本觀念，培養(yǎng)學生的思維能力和實踐能力，提高學生的科學素養(yǎng)[4]。本實驗打破傳統(tǒng)采用物質反應的現(xiàn)象觀察，通過直觀的數(shù)據(jù)來反應構成物質的微粒的運動情況。該實驗不僅可以驗證構成物質的微觀粒子的運動性，還可以探究影響分子運動速率的因素，一舉多得，提高資源利用率。實驗中利用傳感器對物質濃度變化進行動態(tài)跟蹤，增強結論的說服力，并有助于培養(yǎng)學生的變化觀念和平衡思想、宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)。在實驗中用到的干冰與醫(yī)療用氧將實驗藥品生活化，實驗裝置簡單，與教材的實驗形成對比，引導學生形成節(jié)約、保護環(huán)境等觀念，落實化學核心素養(yǎng)中科學態(tài)度與社會責任的培養(yǎng)。

參考文獻

[1]周夢茜.景一丹.分子運動現(xiàn)象的實驗裝置設計[J].化學教與學，2019（9）：96-98.

[2]郭濤.巧設變式實驗裝置探究分子運動現(xiàn)象[J].化學教與學，2019（9）：72-74.

[3]高偉.數(shù)字化實驗在化學概念教學中的應用[J].化學教與學，2021（1）：83-84.

[4]楊劍春等著.基于學科核心素養(yǎng)的教學評價引領[M].南京：南京師范大學出版社，2019.

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