空气和人呼出气体中水蒸气含量探究的实验改进

湖北省十堰市东风第三中学(442000) 侯 倩

湖北省十堰市东风第四中学(442000) 林 敏

1 实验背景

根据人民教育出版社9年级化学上册第一单元的教学内容,笔者组织学生进行了实验,教学活动安排如下。

1.1 探究

分别取2块干燥的玻璃片或镜片,对着其中1块哈气,对比观察2 块玻璃片或镜片上发生的现象。由此得出结论,空气中水蒸气含量比呼出气体中水蒸气含量低。

1.2 实验中存在的问题

1.2.1 实验结论无法让学生信服

放在空气中的玻璃瓶无现象,但如果把冷藏后的玻璃瓶放在空气中,瓶壁会出现水雾,说明空气中含有水蒸气,教材中温度较高的呼出气体遇干燥而冷的玻璃片表面也会出现水雾,说明空气和呼出气体中都含有水蒸气。但是不足以证明空气中水蒸气含量比呼出气体中水蒸气含量低。教材中实验,空气和呼出气体温度不同,所以导致实验现象差异,以9年级学生对相应物理知识的掌握程度,该实验很难让学生信服实验结论。

1.2.2 实验现象不明显

(1)气温影响

该实验受气温影响较大,按教学进度此实验时间大致在9月初,温度相对较高,对着玻璃片哈气很难观察到明显现象。

(2)器材影响

①玻璃片不干燥：有些学校的班级较多,上一节课一个班做了实验,紧接着下一节课另一个班接着做,很多小组只是简单用纸擦了玻璃片就对其哈气,实际上玻璃片上还有水,所以现象不明显。

②玻璃片不干净：由于玻璃片在放置过程中会粘附少量灰尘,呼气时水蒸气与尘土接触,观察不到水雾出现。有的玻璃片上有污垢,对其哈气时出现的是污垢的痕迹,而不是有水雾的现象。

2 实验改进方案

2.1 实验仪器及药品

变色硅胶、Y 形管、2个U 型管、玻璃导管、橡皮管、棉花、2个铁架台、4个单孔橡皮塞、2个弹簧夹、湿度传感器、分析天平、封口袋。

2.2 实验设计思路

实验装置如图1所示,用到了1 个Y 形管、2个U 型管,在U 型管中加入棉花和干燥剂。实验时打开弹簧夹A、关闭弹簧夹B 吸气,让吸入的空气通过左侧U 型管,之后关闭弹簧夹A、打开弹簧夹B呼气,让呼出的气体通过右侧U 型管,吸气呼气交替进行,次数相等。用等质量的干燥剂同时吸收水蒸气,实验前后分别称量2只U 型管的质量,计算出通入空气的U 型管质量变化Δm1以及通入呼出气体的U 型管质量变化Δm2,求出Δm2/Δm1的值。

图1 干燥剂测量水蒸气含量实验装置

湿度传感器测定实验装置如图2所示,同时测量空气和呼出气体中水蒸气含量,求出比值。

2.3 实验过程

(1)实验前往U 型干燥管中塞一团棉花,防止呼吸时硅胶颗粒进入导管,堵塞导管。

(2)天平归零,准确称量干燥剂的质量,为了控制变量,统一称取2g干燥剂,装入U 型管中。

(3)分别称量2只U 型管的质量,并记录实验数据。

图2 湿度传感器测量水蒸气含量实验装置

(4)连接实验装置,开始实验。实验时打开弹簧夹A、关闭弹簧夹B 吸气,让吸入的空气通过左侧U 型管,之后关闭弹簧夹A、打开弹簧夹B 呼气,让呼出的气体通过右侧U 型管,吸气呼气交替进行,次数相等。

(5)观察干燥剂颜色的变化,并再次称量2只U 型管的质量,记录数据。

(6)计算出通入空气的U 形管质量变化Δm1以及通入呼出气体的U 形管质量变化Δm2,求出Δm2/Δm1的值。数据处理过程见表1。

可得出结论：呼出气体中水蒸气含量比空气中水蒸气含量高,且呼出气体中水蒸气含量是空气中水蒸气含量的2.24倍。

(7)再次探究——湿度传感器

将2支湿度传感器一支置于空气中,另一支置于封口袋内,排尽袋内空气后,用玻璃管向袋内呼气直至示数稳定,记录实验数据并进行数据处理,具体内容见表2。

表1 对人体吸入的空气和呼出的气体中水蒸气含量的探究

表2 用湿度传感器测量

可得出结论：呼出气体中水蒸气含量为空气中水蒸气含量的1.56倍,与通过干燥剂测得的实验数据差距不大。

3 实验创新点

(1)克服气温影响、增强实验效果：选用变色硅胶作为干燥剂,变色硅胶呈深蓝色,吸收水蒸气后会变成粉红色,既可以通过颜色变化来显示水蒸气的多少,又可以作为干燥剂吸收水蒸气。如果选用无水硫酸铜,无水硫酸铜遇水变蓝,但是变蓝的现象并不明显。而且无水硫酸铜呈粉末状,又有一定的毒性,在呼吸的过程中可能被吸入,对身体造成伤害。

(2)量化实验结果：实验由同一人吸气呼气交替进行,且吸气呼气次数相等,因此吸入的空气和呼出气体的体积大致相等,用等质量的干燥剂同时吸收空气和呼出气体中的水蒸气,再用分析天平进行称量,得出水蒸气含量。

使用湿度传感器分别测量空气和呼出气体中的水蒸气含量,让数据更准确。

4 结束语

相比教材实验,该创新实验对学生实验操作技能水平要求较高,如果学生实验操作技能水平较低,对教学效果会有一定影响。同时,由于条件限制,无法在课堂上使用更精确的气体流量计来计量通过干燥剂的空气和呼出的气体的体积,导致实验有误差,并且气体中水蒸气的含量与空气湿度、个人体质状况以及干燥剂的吸收能力等因素有关,所以实验时应选取多种干燥剂进行多次测量。