“測定某種食物中的能量”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新

陳世通 孫西江

山東省臨沂沂堂中學(xué)(277721)

生物是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),“測定某種食物中的能量”是人教版初中生物學(xué)七年級(jí)下冊第4單元第2章第1節(jié)中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過測量食物燃燒放出熱能的多少來測定食物中的能量,讓學(xué)生對食物中會(huì)有能量的概念形成直觀認(rèn)識(shí),同時(shí)掌握測定能量的方法。

1 教材實(shí)驗(yàn)的不足

在實(shí)際操作過程中,筆者發(fā)現(xiàn)如果按照教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測得每克花生種子所含能量是7 450 J,與人教版教材附表中提供的每克花生的能量是12 470 J,差值較大。筆者認(rèn)為教材實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問題:

(1)在教材實(shí)驗(yàn)中,30 mL水在錐形瓶中的水位很低,溫度計(jì)的玻璃泡不能完全浸沒在水中,測量的溫度不準(zhǔn)確。

(2)教材中選擇盛水的容器是錐形瓶,但是錐形瓶必須要隔著石棉網(wǎng)才能加熱。因石棉網(wǎng)會(huì)吸收一部分熱量,食物中的能量不能充分轉(zhuǎn)化成水的熱能,造成能量散失較多,影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性[1]。

(3)在教材實(shí)驗(yàn)中,錐形瓶口是開放的,沒有用橡膠塞堵住錐形瓶的瓶口,致使食物燃燒放出的熱量散失太多。

(4)教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置沒有設(shè)計(jì)隔熱保溫裝置,點(diǎn)燃的花生種子在開放的環(huán)境中燃燒,釋放的熱量散失在空氣中。

(5)根據(jù)教材提供的實(shí)驗(yàn)方法,花生種子在點(diǎn)燃時(shí),以及迅速拿到錐形瓶底部的過程中有熱量散失。

(6)花生種子燃燒不充分,熱量散失也比較多。

(7)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置下沒有鋪設(shè)防火星濺落設(shè)備,花生的燃燒物很容易掉落下來,燒壞實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

(8)花生種子小,用解剖針穿著花生燃燒,不便于固定,容易脫落。手拿解剖針容易抖動(dòng),會(huì)造成加熱氣流不穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)器材

花生種子、電子天平、量筒、試管、小刀、剪刀、燒杯、膠頭滴管、鐵架臺(tái)、溫度計(jì)、火柴、易拉罐、紙質(zhì)茶葉盒、單孔橡膠塞、食物燃燒架。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

(1)本次實(shí)驗(yàn)選用100 mL的大試管代替錐形瓶作為盛水容器,由于試管可以直接在火焰上加熱,這就避免了石棉網(wǎng)的使用,減少了熱量損失。

(2)教材中介紹的30 mL實(shí)驗(yàn)用水用量過少,經(jīng)過多次實(shí)踐,水量宜控制在 50 mL左右,測量的溫度更加準(zhǔn)確。

(3)教材中的錐形瓶瓶口是敞開的,食物燃燒放出的熱量損失較多。本實(shí)驗(yàn)改成用帶有溫度計(jì)的單孔橡膠塞塞住試管口,這樣花生燃燒釋放的熱量能被水充分吸收,大大減少了熱量散失,同時(shí)也能將溫度計(jì)固定在水層合適位置,使實(shí)驗(yàn)操作更簡單,水溫變化非常明顯,測量溫度更準(zhǔn)確。

(4)教材中點(diǎn)燃的花生種子在開放的環(huán)境下直接燃燒,再迅速移到錐形瓶下,此過程熱量散失較多。本實(shí)驗(yàn)將花生種子放在易拉罐制作的燃燒室中點(diǎn)燃,花生種子在相對有限的空間內(nèi)燃燒,減少了熱量的散失。

(5)為了使花生充分燃燒,選擇干燥的花生種子作為實(shí)驗(yàn)材料。在實(shí)驗(yàn)前將花生種子切成薄片,增大其與空氣的接觸面積,有利于花生種子在加熱裝置內(nèi)充分燃燒。

(6)制作食物燃燒架。用釘子作為燃燒架固定花生種子,體型小巧,承重后仍然穩(wěn)定。在燃燒架上點(diǎn)燃花生,避免了手拿解剖針出現(xiàn)的晃動(dòng),火焰始終位于試管底的中央,周圍氣流穩(wěn)定,花生種子能安靜地燃燒,保證了花生種子燃燒完全,減少了熱量損失,實(shí)驗(yàn)效果更好。

基于以上改進(jìn),筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置——能量測定器(如圖1所示),以便減少花生種子燃燒過程中能量的散失。

圖1 能量測定器

鋁制易拉罐容易獲取,裁剪方便,并且不易燃燒,因此本實(shí)驗(yàn)選用鋁制易拉罐制作燃燒室。首先,用剪刀把易拉罐頂部的易拉環(huán)剪掉,剪出一個(gè)與試管直徑大小相同的圓孔,再把試管放入易拉罐中,使試管底部和易拉罐底部保持適當(dāng)?shù)木嚯x。在易拉罐靠下位置裁剪出一個(gè)長方形的爐門,在罐體上扎出一些小孔,以便為花生種子的燃燒提供充足氧氣。花生種子在易拉罐圍起來的空間內(nèi)燃燒,帶火星的灰燼掉落在燃燒室內(nèi),不會(huì)燒壞實(shí)驗(yàn)臺(tái),便于回收。但是金屬導(dǎo)熱性強(qiáng),易拉罐會(huì)向四周散失大量熱量。因此,本實(shí)驗(yàn)還需要在易拉罐外面加一層隔熱保溫裝置,以避免熱量散失。紙的熱導(dǎo)率低,便于裁剪,安全性較高,因此,紙質(zhì)材料適合制作隔熱保溫裝置,本實(shí)驗(yàn)利用廢棄的茶葉盒作為隔熱裝置。先在茶葉盒的頂部按照試管的口徑剪一個(gè)圓孔,把易拉罐包圍起來。再在茶葉盒口剪一個(gè)梯形的孔,作為燃燒時(shí)的通風(fēng)孔,使花生種子燃燒完全。在茶葉盒側(cè)面扎出部分小孔,為花生種子充分燃燒提供足夠的氧氣。在茶葉盒的下側(cè)剪一個(gè)與易拉罐上的爐門大小相同的缺口,與爐門對應(yīng)。有了隔熱保溫裝置,花生燃燒放出的熱量損失很小,同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。最后,用鐵夾把裝置固定在鐵架臺(tái)上。

4 實(shí)驗(yàn)方法

(1)用電子天平稱量一粒干花生種子的質(zhì)量,之后將花生種子切成薄片。

(2)用量筒量取50 mL水,倒入100 mL的大試管中,塞緊單孔橡膠塞。

(3)將溫度計(jì)插入單孔橡膠塞中,調(diào)整溫度計(jì)的高度,使水浸沒溫度計(jì)的玻璃泡,但溫度計(jì)下端不能接觸大試管底部。再把大試管放入易拉罐中,用茶葉盒把易拉罐包圍起來,如圖1所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置。

(4)測定水溫,記錄水的初始溫度t1。

(5)將切成片的花生種子穿在食物燃燒架上,在燃燒室里用火柴直接點(diǎn)燃。待花生種子完全燃燒后,記錄大試管內(nèi)水的最高溫度t2。

(6)重復(fù)步驟(4)和(5)3次,做好數(shù)據(jù)記錄。

在常態(tài)下,1 mL 水升高 1 ℃,需要吸收4.2 J熱量,因此花生種子燃燒釋放能量的計(jì)算公式為: 釋放能量=水量×溫差×4.2 J。將各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中,重復(fù)3次實(shí)驗(yàn),計(jì)算出每次花生種子燃燒釋放的能量,取平均值的減小誤差。每克花生種子所含能量=釋放能量÷花生質(zhì)量。水吸收的能量越接近花生燃燒釋放的總能量,說明實(shí)驗(yàn)效果越好[2]。

表1 花生能量測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

5 結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,計(jì)算出平均值作為花生釋放的能量。

之前筆者完全按照教材中的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作,測得每克花生含有的能量是7 450 J,相比教材附表提供的每克花生的真實(shí)能量12 470 J,誤差大約是5 020 J。現(xiàn)采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置重新操作,根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,測定的每克干花生含有11 740.8 J的能量,花生能量的測定值相比之前成倍增加,已經(jīng)很接近教材提供的花生能量。這證明了本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置“能量測定器”可以有效減少熱量的散失,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。