“傾倒氧氣助燃”與“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)的組合設(shè)計(jì)

李德前 周梅華 張羿

摘要： 利用亞克力塑料板制作一個(gè)敞口的實(shí)驗(yàn)盒，通過(guò)實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板可以排除煙囪效應(yīng)對(duì)傾倒氣體操作的干擾。在實(shí)驗(yàn)盒里依次進(jìn)行傾倒氧氣助燃、傾倒二氧化碳滅火兩個(gè)組合實(shí)驗(yàn)，不僅現(xiàn)象有趣，而且結(jié)論可靠。豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 傾倒氧氣助燃; 傾倒二氧化碳滅火; 實(shí)驗(yàn)組合設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）03-0067-04

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

1.1? “傾倒二氧化碳滅火”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在煙囪效應(yīng)干擾

“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行各個(gè)版本的初中化學(xué)或科學(xué)教科書(shū)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的不足，一線教師作了許多改進(jìn)，其中不少的改進(jìn)方案都能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)現(xiàn)象（即蠟燭自下而上依次熄滅），但這些改進(jìn)裝置[1～3]（如圖1所示）在傾倒氣體時(shí)又強(qiáng)

化了煙囪效應(yīng)，使蠟燭燃燒區(qū)域上升的熱氣流對(duì)傾倒的氣體形成了較強(qiáng)的拔風(fēng)、抽吸作用。

設(shè)想在圖1所示的三個(gè)改進(jìn)裝置中，如果傾倒的是密度比空氣小的氮?dú)?，那么氮?dú)庖矔?huì)使蠟燭自下而上熄滅，因?yàn)闊焽栊?yīng)造成大量的氮?dú)獗晃霟撞縖4]。因此，“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)必須排除“煙囪

效應(yīng)”對(duì)氣體傾倒操作產(chǎn)生的干擾。

1.2? 教科書(shū)上沒(méi)有設(shè)計(jì)“氧氣密度比空氣大”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行各個(gè)版本的初中化學(xué)或科學(xué)教科書(shū)上均沒(méi)有編排“氧氣密度比空氣大”的實(shí)驗(yàn)，教材的編寫(xiě)者都是通過(guò)語(yǔ)言陳述直接給出“氧氣密度比空氣大”的知識(shí)。這樣處理，使教學(xué)缺乏直觀性和說(shuō)服力，學(xué)生對(duì)此知識(shí)點(diǎn)只能死記硬背。

由此設(shè)想，利用“傾倒二氧化碳滅火”的改進(jìn)裝置進(jìn)行“傾倒氧氣助燃”實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證氧氣支持燃燒、密度比空氣大等性質(zhì)。

2? 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新

2.1? 改進(jìn)思路

利用無(wú)色和黑色的兩種亞克力塑料板，設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)方體形狀的實(shí)驗(yàn)盒，上面敞口;在實(shí)驗(yàn)盒中間加設(shè)一塊可以上下移動(dòng)的豎向隔板（相當(dāng)于閘門(mén)），將實(shí)驗(yàn)盒劃分為“蠟燭燃燒室”和“氣體傾倒室”兩部分（如圖2所示）。

在傾倒氣體助燃或滅火實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)按下隔板后再進(jìn)行傾倒氣體操作，就可以排除煙囪效應(yīng)對(duì)傾倒的氣體所產(chǎn)生的抽吸作用。

2.2? 實(shí)驗(yàn)用品

氧氣、二氧化碳、較細(xì)的蠟燭、線香;自制的實(shí)驗(yàn)盒、500mL的寬口塑料瓶、氧氣傳感器（含數(shù)據(jù)處理軟件）、火柴、細(xì)木條、酒精燈、細(xì)沙等

2.3? 制作實(shí)驗(yàn)盒

（1） 截取15cm×9cm的無(wú)色透明亞克力塑料板一塊，用作實(shí)驗(yàn)盒的正面（便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)盒內(nèi)的現(xiàn)象）;截取15cm×9cm的黑色亞克力塑料板一塊，用作實(shí)驗(yàn)盒的背面;截取9cm×6cm的黑色亞克力塑料板三塊，兩塊用作實(shí)驗(yàn)盒的左右側(cè)面，一塊作為實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板;截取15cm×6cm的黑色亞克力塑料板一塊，用作實(shí)驗(yàn)盒的底面。

（2） 按圖3所示，借助無(wú)影膠，將用作正面、背面、左側(cè)、右側(cè)和底面的5塊亞克力塑料板粘合成一個(gè)實(shí)驗(yàn)盒（其容積約為810mL）。

（3） 在實(shí)驗(yàn)盒前后兩塊塑料板正中的對(duì)應(yīng)內(nèi)壁上，粘接兩條豎直的凹槽;將隔板插入凹槽中，使其像閘門(mén)一樣能上下自由移動(dòng)（如圖3所示）。

（4） 也可以借助3D打印技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)盒直接成型。

2.4? “傾倒氧氣助燃”實(shí)驗(yàn)

（1） 向?qū)嶒?yàn)盒的底部加入適量的細(xì)沙（不超過(guò)實(shí)驗(yàn)盒容積的1/4），用于固定蠟燭或線香，同時(shí)方便調(diào)整蠟燭或線香露出細(xì)沙的高度。

（2） 取兩支細(xì)蠟燭、兩根線香，分別插入細(xì)沙中，并使兩根蠟燭、兩根線香露出細(xì)沙的高度不同（如圖4所示）。

（3） 找兩個(gè)500mL的寬口塑料瓶，采用排水法，分別收集一瓶氧氣、一瓶二氧化碳，旋緊瓶蓋后備用。

（4） 點(diǎn)燃酒精燈，借助細(xì)長(zhǎng)的木條，引燃蠟燭、線香;旋開(kāi)盛有氧氣的塑料瓶蓋，將瓶中的氧氣緩緩注入氣體傾倒室里（如圖4所示）。

（5） 估計(jì)氧氣完全倒出后，輕輕提起實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板，立即觀察到蠟燭燃燒更旺，發(fā)出白光，帶有火星的線香也劇烈燃燒起來(lái)，產(chǎn)生近乎白色的火焰。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，傾倒氧氣時(shí)，在沒(méi)有煙囪效應(yīng)干擾的情況下，氧氣能自由地較快地大量下沉。氧氣在空氣中能夠大量下沉，表明氧氣的密度比空氣大[5，6];在提起中間的隔板后，蠟燭、線香燃燒更旺，這又說(shuō)明了氧氣能支持燃燒。

2.5? “傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)

（1） 當(dāng)蠟燭、線香的燃燒恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，按下中間的隔板，將蠟燭燃燒室與氣體傾倒室再次隔開(kāi)。

（2） 旋開(kāi)盛有二氧化碳的塑料瓶蓋，將瓶中的二氧化碳?xì)怏w緩緩注入氣體傾倒室里。

（3） 估計(jì)二氧化碳完全倒出后，輕輕提起實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板，立即觀察到蠟燭、線香均從低到高依次熄滅（如圖5所示）。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，傾倒二氧化碳時(shí)，在沒(méi)有“煙囪效應(yīng)”干擾的情況下，二氧化碳能自由地較快地大量下沉。二氧化碳在空氣中能夠大量快速下沉，表明二氧化碳的密度比空氣大[7，8];在提起中間的隔板后，燃著的蠟燭、線香均被熄滅，這又說(shuō)明了二氧化碳不燃燒，也不支持燃燒。

（4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.6? 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1） 實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板與兩邊的凹槽應(yīng)較為吻合，以防蠟燭燃燒室與氣體傾倒室隔離不徹底，影響實(shí)驗(yàn)效果。

（2） 放有細(xì)沙的實(shí)驗(yàn)盒總?cè)莘e約是600mL，其中氣體傾倒室和蠟燭燃燒室的容積各占300mL左右，塑料瓶?jī)?nèi)氣體的體積約是500mL。由于一部分氣體在傾倒時(shí)會(huì)逃逸到實(shí)驗(yàn)盒外面的大氣中，因此塑料瓶?jī)?nèi)的氣體要盡量完全倒出，以確保有足量的氧氣或二氧化碳進(jìn)入實(shí)驗(yàn)盒內(nèi)。多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在緩慢傾倒塑料瓶中的氣體時(shí)，一般傾倒12～15s能將氧氣完全倒出、8～11s能將二氧化碳完全倒出。

（3） 如果實(shí)驗(yàn)裝備條件允許，在“傾倒氧氣助燃”實(shí)驗(yàn)中還可以借助氧氣傳感器來(lái)定量說(shuō)明“氧氣傾倒后能很快地大量下沉”（如圖6、圖7所示）。

分析圖7中的曲線不難發(fā)現(xiàn)，在傾倒氧氣后，“氣體傾倒室”內(nèi)氧氣濃度明顯增大（如圖AB段），在傾倒氧氣大約到第25s時(shí)，氧氣濃度達(dá)到最大值，約62%（見(jiàn)圖中B點(diǎn)），充分說(shuō)明氧氣在空氣中能夠較快地大量下沉。

另外，提起實(shí)驗(yàn)盒中間的隔板后，氧氣濃度先快速下降（因?yàn)榇罅康母邼舛妊鯕鈴母咛幜魅氲蜐舛妊鯕鈪^(qū)域，并有煙囪效應(yīng)相助，如圖中BC段），然后緩慢下降（主要是燃燒消耗氧氣），直至與環(huán)境值一致（燃燒結(jié)束，實(shí)驗(yàn)盒內(nèi)外的氣體發(fā)生交換）。

3? 對(duì)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

（1） 利用上述實(shí)驗(yàn)盒，首先驗(yàn)證“氧氣密度比空氣大、支持燃燒”等性質(zhì)，然后驗(yàn)證“二氧化碳密度比空氣大、不燃燒、不支持燃燒”等性質(zhì)，兩個(gè)不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)在同一裝置內(nèi)科學(xué)銜接、巧妙融合，提升了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益。

（2） 上述實(shí)驗(yàn)盒設(shè)計(jì)新穎，制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象有趣，結(jié)論可靠，由現(xiàn)象到結(jié)論自然流暢，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教具的科學(xué)性和實(shí)用性，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)，并發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力和理性思維。

（3） 本實(shí)驗(yàn)既可用于課堂演示，也可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)氧氣和二氧化碳的性質(zhì)，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

（4） 該實(shí)驗(yàn)盒充實(shí)了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為“開(kāi)齊開(kāi)足開(kāi)好化學(xué)實(shí)驗(yàn)”積累了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

總之，化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新永無(wú)止境，沒(méi)有最好只有更好。吸取前人的研究成果，融合自己的創(chuàng)新思路，就可以對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)不斷創(chuàng)新，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化，從而豐富中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備，提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。利用本實(shí)驗(yàn)盒進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，使理論知識(shí)直觀化，科學(xué)知識(shí)趣味化，有助于培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、追求創(chuàng)新、勇于探索的科學(xué)素養(yǎng)[9]，同時(shí)也有效提升教師的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務(wù)能力。

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