實現(xiàn)噴泉實驗數(shù)字化可視性改進探究

摘 要：高中化學教材中的噴泉實驗存在裝置繁瑣易碎、操作不便、不能重復實驗等諸多不足，迫切需要數(shù)字化可視性新型實驗教具的出現(xiàn)。文中的新型噴泉實驗教具采用新材料，保證了實驗成功率，引入壓強傳感器，增加了數(shù)字化可視性，且該教具既可以完成減小壓強而形成噴泉，還可完成增大壓強而形成噴泉，另外還增加了讓學生用身邊的材料動手做此裝置的內(nèi)容，實現(xiàn)了讓學生更深層次的學習體驗。該教具對教學效果和學生思維的提升有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：噴泉；壓強傳感器；壓強差

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、研究背景

近年來，隨著化學學科核心素養(yǎng)的提出，數(shù)字化可視性教具在化學學科中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)字化可視性教具可以增強學生對化學知識的理解和應(yīng)用能力。通過數(shù)字化教具的應(yīng)用，學生能夠以更直觀和自主的方式進行化學學習。這樣的學習體驗有助于加深學生對概念和原理的理解，提高實驗操作技能，培養(yǎng)科學思維和創(chuàng)新能力，為學生的化學學習和未來的科學研究打下堅實基礎(chǔ)。

氨氣的噴泉實驗在蘇教版必修第二冊第7專題，是一個有力證明氨氣在常溫下極易溶于水且其水溶液呈堿性的實驗，并引發(fā)學生思考探究，從而得出形成噴泉的原理是產(chǎn)生壓強差。該實驗在中學化學中具有很重要的地位，但教材中的噴泉實驗裝置存在一定的局限性：

①需要的儀器較多，如鐵架臺、燒瓶、雙孔橡膠塞、燒杯等，組裝起來比較繁瑣。

②裝置必須密封良好，如玻璃管與橡膠塞、橡膠塞與燒瓶口之間均不能漏氣，否則會造成氨氣的泄漏，實驗就會前功盡棄，對操作者實驗操作水平要求較高。

③數(shù)字化可視性不強。由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)檢測裝置，學生只能通過燒瓶內(nèi)有液體噴出，反推出是由于“燒瓶內(nèi)氣體溶于水后，使得燒瓶內(nèi)的壓強減小形成的”。

④該實驗裝置只能演示燒瓶內(nèi)氣體溶解或反應(yīng)使壓強減小，產(chǎn)生壓差而形成噴泉，下方增大壓強造成壓差而形成噴泉無法演示，不能讓學生更好的理解形成噴泉的原因。

⑤課本中的實驗裝置不能重復使用，做完一次實驗之后則需要拆開裝置，重新組裝?，F(xiàn)在的高中學校，少則十軌制，多則二三十軌制，要完成該演示實驗，教師的工作量是相當大的。

基于上述原因，此實驗雖然比較重要，但由于課本上的實驗方法做起來不太方便，很可能達不到預(yù)期的效果，所以課堂上做此實驗的并不是很多。那有沒有一套更好操作，且可以完成多組實驗，可視性更強的實驗裝置呢？這就迫切需要有數(shù)字化可視性新型教具的出現(xiàn)。

二、改進后的噴泉實驗裝置

（一）實驗原理

如圖1，通過減小容器1中壓強或增大容器2中壓強形成壓強差，從而產(chǎn)生噴泉。

（二）儀器構(gòu)造

實物裝置如圖2，裝置分為容器1和容器2上下兩個部分，每個容器上有四個接口，其中左側(cè)上端的接口均接壓強傳感器，左側(cè)下方的接口上下連通起來，使得容器2中液體通過此通道進入容器1形成噴泉。容器1中右側(cè)的兩個接口可以利用橡膠管和止水夾靈活打開或關(guān)閉，用以收集不同密度的氣體。同時增加了容器1、2之間的右側(cè)的互通結(jié)構(gòu)，這樣做完一組實驗后，可以打開連通管上的止水夾，使容器1中的溶液流回到容器2中，從而使裝置可重復完成多次實驗。另外所有的連接部分都在側(cè)面，使正面沒有遮擋，減少了干擾，更加便于觀察。

（三）新型噴泉實驗裝置的優(yōu)點

①組裝簡練、操作方便：解決了儀器繁多，組裝繁瑣的問題，直接攜帶此裝置將容器1和容器2豎直放在一起即可。同時用有機玻璃方管代替玻璃燒瓶和燒杯，解決了玻璃儀器易碎的問題。

②氣密性更好：由于沒有使用橡膠塞，連接件用專用膠密封代替了膠塞密封，更好地解決了氣密性的問題。

③可視性更強：通過壓強傳感器顯示容器內(nèi)壓強數(shù)值的變化，實現(xiàn)了對實驗結(jié)果的預(yù)判性；根據(jù)壓強數(shù)值的變化量（增加或減少），得出實驗結(jié)論，實現(xiàn)了數(shù)字化，使實驗過程更加直觀有說服性。

④可重復使用：在不更換儀器的情況下，可重復完成多次不同原理形成壓差進而形成的噴泉實驗。

⑤可完成一些除噴泉實驗外的拓展實驗：如完成兩種氣體常溫下發(fā)生反應(yīng)的實驗，例如氨氣和氯化氫反應(yīng)的“白煙”實驗。

三、裝置的使用

該裝置用途廣泛，可一物多用，開展多個實驗，下面就具體實驗解釋該裝置的使用過程。

（一）極易溶于水的氣體的噴泉實驗

①關(guān)閉容器1和容器2中間的活塞，通過控制容器1中右側(cè)的兩個接口，用以收集不同密度的氣體。如氨氣用向下排空氣法、氯化氫用向上排空氣法收集。收集完成后右側(cè)兩個接氣口用止水夾夾住，讀壓強傳感器的示數(shù)。

②打開連接容器1和容器2之間的活塞。

③將容器1中上方接口接盛有水的注射器，打開止水夾，向容器1中用注射器注入少量水后立即關(guān)閉止水夾，觀察噴泉的形成和壓強傳感器示數(shù)變化。

④打開右側(cè)連通管上的止水夾，通過連通管，使容器1中的溶液流回到容器2，繼續(xù)后續(xù)實驗。

（二）通過抽氣減小容器1中壓強形成噴泉

關(guān)閉左側(cè)容器1和容器2之間的活塞，同時右側(cè)的連通管用止水夾夾住。通過容器1中上端接口用兩用氣筒或真空泵向外界抽氣，觀察壓強傳感器示數(shù)，當與外界壓強差較大時，用止水夾夾住上端接口處橡膠管。打開連接容器1和容器2之間的活塞，觀察噴泉的形成和壓強傳感器示數(shù)變化。最后通過連通管讓溶液回到容器2。

（三）通過打氣增大容器2中壓強形成噴泉

關(guān)閉容器1和容器2中間的活塞，同時右側(cè)的連接管用止水夾夾住。通過容器2中上端接口打氣，觀察壓強傳感器示數(shù)。當與外界壓強差較大時，用止水夾夾住上端接口處橡膠管，打開容器1和容器2中間的活塞，形成噴泉，同時觀察壓強傳感器示數(shù)變化。

（四）兩種氣體常溫下反應(yīng)的實驗

以氨氣和氯化氫之間的反應(yīng)為例。容器1和容器2中分別收集氯化氫和氨氣，打開容器1和容器2中間的活塞，兩氣體擴散接觸，發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生白煙。可通過觀察壓強傳感器示數(shù)變化看出反應(yīng)的發(fā)生及進行程度。

（五）定性比較氣體溶解度的大小

先把容器1中的氣體完全抽出，充入不同的氣體，通過容器1中液面上升的高度，定性比較出氣體溶解度的大小。

四、引導和延伸

通過把該裝置應(yīng)用于課堂教學，啟發(fā)學生利用該實驗原理，創(chuàng)造出多種類似裝置。

學生們利用生活中易得的材料，制作出圖3所示的兩種不同的裝置。通過注射器活塞的抽拉，分別向上、下兩個礦泉水瓶中抽氣、打氣，形成噴泉。激發(fā)了學生興趣，拓寬了學生思維。

五、結(jié)語

本套實驗裝置解決了噴泉實驗中的諸多問題，能夠更高效的完成多種形式的噴泉實驗。引入了壓強傳感器，使實驗過程的壓強變化更加直觀，可視性更強。同時該裝置還有很多其他用途，比如兩種氣體常溫下的反應(yīng)，再比如定性比較氣體的溶解度等等。充分激發(fā)了學生的學習興趣和探索欲望，使學生的思維得到了發(fā)散和升華，對教學效果的提高以及學生能力的發(fā)展都有著非常重要的意義。

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（責任編輯：加順花）