消除质量守恒定律实验中空气浮力影响因素的探究

李翠垠

1 探究背景

鲁教版（五四制）八年级化学第五单元第一节“质量守恒定律”是初中化学的核心内容，利用实验探究质量守恒定律是本节的教学重点。在此之前，学生通过对原子、分子的学习和微粒观的建立，已经能从微观角度上理解化学反应的实质，认识到化学反应的过程就是原子重新组合的过程，但是还不能将化学反应过程中原子的“三不变”（种类、个数和质量不变）和化学反应前后物质的质量守恒这一宏观现象联系起来。特别是在有气体生成的化学反应中，当学生看到由于浮力的影响而导致天平失衡时，更是百思不得其解，甚至质疑质量守恒定律。鉴于学生产生的认知冲突，笔者引导学生进行消除质量守恒定律实验中消除空气浮力影响的专题探究。

2 探究目的

实验是进行科学探究的有效方法。为了帮助学生从微观本质和宏观质量两个方面准确理解化学反应，在学生头脑中形成正确的第一印象，笔者将探究活动的重点放在探究质量守恒定律的实验设计上。原因有三：1）加强科学探究是本次化学课程改革中最突出的特点，完成科学探究的关键是对实验方案的设计，因此在教学中教会学生合理设计实验显得尤为重要；2）学生的年龄特点决定了他们对动手实验的兴趣远远大于对文字和语言的兴趣，他们更喜欢在实验中获得成功的体验；3）研究表明，亲身体验获得的知识在人的头脑中易形成永久性的记忆。

3 探究主题

探究质量守恒定律的实验有多种，其中操作难度较大、容易出现误差的是有气体产生的化学反应。在以往验证质量守恒定律的实验教学中，对于产生气体的反应多选择带有气球的密闭发生装置，这种装置的最大优点是保证反应体系的质量不损耗，然而却不能让学生看到天平依然平衡的直接印象。教师在课堂上往往需要花费不少的时间从浮力的角度来解释这一现象。通过调查，笔者还发现，由于不同学科的进度问题，目前初三学生还未在物理课上学到浮力的系统知识，教师的解释在学生面前将显得十分单薄，致使学生以为教师在寻找借口，自圆其说。因此，笔者将这次探究活动的关键定位在如何消除质量守恒定律实验中空气浮力因素的影响。

4 探究过程

4.1 课前感知，发现问题

1）设计。指导学生利用锥形瓶、双孔橡皮塞、玻璃管、气球、分液漏斗连接成密闭装置。

2）操作。将气球套在玻璃管上，将其与分液漏斗分别固定在双孔橡皮塞上。检查气密性后，先在锥形瓶中装入二氧化锰粉末，塞紧橡皮塞后再向分液漏斗中加入适量的过氧化氢溶液。将装置置于托盘天平左盘上，调节至平衡，然后打开分液漏斗的旋转活塞，让过氧化氢溶液不断滴入锥形瓶中。

3）现象。学生会看到锥形瓶中产生大量气泡，气球逐渐胀大，天平指针向右偏转。

4）解释与困惑。因为学生已经学习氧气的实验室制法，所以他们很容易明白气球的胀大是因为氧气的不断产生。然而在气体不泄漏的情况下，为什么天平指针发生偏转呢？

5）初步结论。学生尽管还不明白浮力，但是经过交流，还是达成这样的共识：天平的失衡是由于气球的胀大。

4.2 课堂探究，解决问题

那么，如何让天平仍然保持平衡呢？这是上课伊始笔者向学生提出的探究任务，也是学生在课前就反复思考的问题。这时候如果让学生立即进入探究，会“欲速则不达”，因为学生会觉得难以下手，有的可能会贸然去掉气球，使用带有分液漏斗的单孔橡皮塞而导致塞子冲出造成意外伤害。所以，笔者采取以下做法。

1）对课前实验现象作出解释。首先和学生一起对课前实验进行深入的分析，补充完善他们的初步结论，指出气球胀大带来空气浮力的增大，就像一只手轻托左盘，使得天平指针向右偏转。这样，学生豁然开朗，马上找准切入点，即想办法让胀大的气球瘪下去，消除浮力变化产生的影响因素。

2）指导学生自主探究。①划分探究小组。将学生6人一组，分成探究小组。分组时尽量优劣互补、男女比例合适，这样既有利于学生之间的合作，又便于利用学生的好胜心理激发其竞争意识和创新潜能。②各组商讨实验方案。科学探究的中心环节是针对发现的问题进行实验方案设计。在小组长的带领下，大家集思广益，通过讨论、查阅资料，设计出能消除空气浮力变化的实验方案。在此过程中，学生将感受到团队的力量远远大于个人的力量，同时也学会尊重他人、欣赏他人。③成果展示交流。各小组在交流展示的过程中学会评价实验方案，找出自己的得与失，在比较中不断进步。

3）归纳实验方案。在大家的努力下，学生在原来的实验基础上设计多种实验方案，有的原理虽然正确，但由于托盘天平的托盘太小或其他客观因素，而难以操作；有的设计合理，操作方便，其中比较成功的实验方案有3种、①氧气转移法。反应前向左盘中添加注射器，调节天平平衡；反应后，用注射器抽取气球内的气体至气球瘪下去。观察天平是否平衡。原理：将氧气装移到不易变形的容器中，消除因变形而带来的空气浮力变化。②氧气消耗法。事先在双孔橡皮塞上固定一个燃烧匙，反应前就在燃烧匙里装上适量的白磷，调节天平平衡；反应结束后，用凸透镜汇聚太阳光照射白磷使其燃烧，冷却至室温后，观察天平是否平衡。原理：白磷的着火点很低（40 ℃），聚光法可使其燃烧，且燃烧时消耗大量氧气，使得气球瘪下去。③胶头滴管法。将双孔橡皮塞换成单孔橡皮塞，塞子上固定一只胶头滴管（事先吸取一定量的双氧水），调节天平平衡；将胶头滴管内的双氧水全部缓缓滴加到锥形瓶中。反应结束后观察天平是否平衡。原理：胶头滴管中的液体排空后可以吸收一定量的气体，而又不会引起胶头滴管的外形改变。

4.3 反思过程，总结提高

针对以上实验方法，教师引导学生进行认真反思，找出注意事项。1）使用注射器时要控制好药品用量，避免出现注射器容积小于气体体积的情况；2）白磷要足量，以确保氧气可以消耗掉，并且为了让氧气与白磷充分反应，可以用手将气球中的气体挤压到锥形瓶中；3）使用胶头滴管法的时候，反应瓶的容积不要太小，以免因瓶内气体的增加而使塞子被弹出；4）实验时完全可以将锥形瓶换成广口瓶或平底烧瓶，但不宜换成试管，因为难以将试管固定在托盘天平的托盘上。

4.4 鼓励评价

不要吝啬赞美的语言，评价应以赞扬和鼓励为主。因此，教师应以极大的热情赞扬学生在探究过程中所付出的努力、取得的成绩以及表现出来的严谨求实、互助合作的态度。同时对那些因实验器材等客观因素而无法完成的实验设计也要给予充分的肯定，认可其正确的思维，鼓励其自主探究的学习方式，增强学生的自信心。

5 探究反思

兴趣是最好的老师。学生自己发现的问题更能激起他们的探究欲望。在教学中要积极给学生创设发现问题的机会，鼓励他们合作探究，帮助他们寻求解决问题的方法，真正成为学生学习的对话者、合作者、指导者。另外，探究实验最好切合学生的知识增长点，从学生已有的知识和经验出发，制造“愤悱”之机，引导学生用已知解决未知，不可过多补充其他知识，否则会让学生失去探究兴趣。因此，探究质量守恒定律的实验设计要从学生知道的化学反应入手，而不宜使用其他学生未知的化学反应。另外，在学生探究过程中，一定要注意培养学生的安全意识、环保意识，不宜采用产生易燃易爆气体、有毒气体等的化学反应。

澳大利亚教育家比洛斯提出：只有当学生积极想学而又懂得怎样学习时，才能取得理想的结果。组织小组学习，最重要的是调动起学生强烈的学习愿望。这就需要教师必须更新观念，改变教学方法，把学生看做学习的主人，除了设计符合学生认知水平的探究主题外，还要有适当的方法指导，使学生能通过自己的努力获得探究的成功，让愉悦的成功感成为自主学习的动力。