浅谈如何利用数字化实验分析高低蜡烛熄灭顺序
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作者:李杨
摘 要：人教版九年级化学上册第六单元课题3《二氧化碳和一氧化碳》中学习了关于《高低蜡烛熄灭顺序》的实验。学生根据二氧化碳的性质分析现象。结合引入氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器测量后发现，原先的结论是有问题的。实验表明蜡烛的熄灭与氧气浓度有关。
关键词：二氧化碳浓度;氧气浓度;数字化实验
一、 引言
初中化学实验教学模式随着数字化实验的推广，从简单的定性分析转换成数据说话的定量分析，通过在实验中对气体浓度数据分析，让学生认识燃烧与氧气浓度有关。
二、 提出问题
问题1：人教版九年级化学上册第6单元课题三实验6-3中，把二氧化碳气体慢慢倒入烧杯中，如图1所示，蜡烛会由低到高依次熄灭，产生此现象的原因是什么？
问题2：如图2所示，点燃2根蜡烛后，将大烧杯倒扣在两支点燃的不同高度的蜡烛上方，哪根蜡烛先熄灭？原因是什么？
问题3：在图2中倒扣烧杯中的蜡烛全部熄灭后，烧杯内还有没有氧气剩余？
三、 分析问题
学生通过实验验证，讨论后做出了如下分析。
问题1：蜡烛由低到高熄灭的原因：二氧化碳的密度比空气大且不可燃不助燃，矮的蜡烛先接触到了二氧化碳，所以矮的蜡烛先熄灭，高的蜡烛后熄灭。
问题2：蜡烛由高到低熄灭的原因之一：蜡烛燃烧产生二氧化碳，燃烧放出的热量促使二氧化碳气体受热膨胀，聚集在烧杯上部位置，高的蜡烛先接触到二氧化碳，高的蜡烛先熄灭，矮的蜡烛后熄灭。
蜡烛由高到低熄灭的原因之二：蜡烛燃烧消耗氧气，上部氧气先被消耗，高的蜡烛先熄灭，矮的蜡烛后熄灭。
问题3：75%的学生认为只有较少的氧气剩余，21%的学生认为有大量氧气剩余，4%的学生认为没有氧气剩余。
四、 解决问题
问题2和问题3学生的观点都出现了争议。问题2引导学生利用酚酞、澄清石灰水、滤纸条，通过设计实验定性分析初步得出结论。
问题3利用传统实验无法解决，利用威尼尔数字化实验的氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器测反应前后装置内的氧气、二氧化碳浓度变化量，解决问题并出现意外收获。
五、 设计实验
问题2：定性分析
实验器材：大烧杯、2支高度不同的普通蜡烛、火柴、酚酞、澄清石灰水、滤纸条、胶头滴管、镊子。
实验装置：
实验步骤：如图3所示，将滤纸条在饱和澄清石灰水中浸湿后取出，滴加无色酚酞，变红后在大烧杯的上下不同位置处各贴一张，将2支蜡烛点燃后，用大烧杯罩住，观察滤纸条颜色变化先后顺序。
问题3：由于烧杯不方便同时放置氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，所以重新自制了一个大的装置，装置体积变大后，为了节省时间，方便测量，把2支蜡烛换成了3支高低不同的蜡烛。测定容器内气体浓度变化量。
实验器材：3支高低不同的普通蜡烛、饱和碳酸氢钠溶液、火柴、自制容器、氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、采集器、计算机。
实验装置：
实验步骤：如图4所示，把氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器放在自制容器上方，为了使装置更好的密封并防止产生的二氧化碳溶解在水中，在容器下用饱和碳酸氢钠溶液液封，并在放置传感器的连接处缠绕保鲜膜。
连接好装置后，启动电脑应用程序并设置基于时间采集数据模式，每4秒钟采集1个数据，横坐标是时间，纵坐标的左侧是氧气浓度，设定范围从0%～22%，纵坐标的右侧是二氧化碳浓度，设定范围从0%～3%，时间设定为900秒。点燃三支蜡烛后罩住并同时点击应用程序的开始按钮采集数据。待三支蜡烛全部熄灭后，让装置自然冷却至室温，并从电脑上读出数据。
六、 实验现象
图3实验：烧杯倒扣在点燃的高低不同的蜡烛上方时，蜡烛从高到低依次熄灭，红色滤纸条高的先褪色，低的后褪色。
图4实验：自制容器内氧气含量的初始数值为20.96%，实验结束后最终数值为17.04%，容器内二氧化碳的初始数值为0.062%，实验结束后最终数值为2.082%。
同时发现每次在三支蜡烛全部熄灭的时候，曲线会出现一次突变，氧气浓度会突然上升，二氧化碳浓度会突然下降，反复实验也是出现相同的现象。
七、 交流讨论
提出问题：
问题4：在自制容器内三支蜡烛全部熄灭并冷却后，用数字化实验测出的氧气浓度降低3.92%，二氧化碳浓度只增加2.02%，蜡烛的熄灭是因为二氧化碳浓度高吗？
问题5：为什么在3支蜡烛都熄灭的时候，曲线会出现突变？
猜想假设：
问题4：蜡烛熄灭与氧气浓度降低有关。
问题5：曲线突变与熄灭后温度下降有关。
实验设计：
问题4：利用排水法收集一瓶混有80%二氧化碳和20%氧气的混合气体，将燃着的蜡烛伸入瓶中，观察蜡烛是否熄灭。
问题5：在原有装置的基础上，引入高温传感器，同时测量温度。
实验用品：
问题4：集气瓶、分液漏斗、量筒、烧杯、导管、橡胶塞、锥形瓶、止水夹、过氧化氢、二氧化锰、可乐等。
问题5：3支高低不同的普通蜡烛、饱和碳酸氢钠溶液、火柴、自制容器、氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、高温传感器、采集器、计算机。
实验步骤：
问题4：按照图5连接好装置，检查完装置气密性后，在集气瓶中装满水，打开分液漏斗的旋钮，反应一段时间后，排尽装置内的空气，用带火星的小木条在右侧导管口检验后，用排水法收集氧气，通过观察左侧量筒里的液体体积来控制收集的氧气体积。等氧气收集了集气瓶体积的20%以后，改用如图6所示装置继续用排水法收集二氧化碳。虽然二氧化碳能溶于水，但二氧化碳的溶解速率慢，为了获得更纯净的二氧化碳，在这里不选择实验室制取二氧化碳的方法，而是直接把裝置连接可乐瓶，利用振荡的方法收集二氧化碳。这样就得到一瓶混有80%二氧化碳和20%氧气的混合气体。
问题5：如图7所示，把氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器放在自制容器的上方，为了使装置的密封性更好并防止产生的二氧化碳溶解在水中，在容器下面用饱和碳酸氢钠溶液液封，并在放置传感器的连接处缠绕保鲜膜。引入高温传感器，放在氧气浓度传感器同一侧。
连接好装置后，启动电脑应用程序并设置基于时间采集数据模式，每4秒钟采集1个数据，横坐标是时间，纵坐标的左侧是氧气浓度，设定范围从0%～22%，纵坐标的右侧是二氧化碳浓度，设定范围从0%～3%，下面是测出的装置内温度，时间设定为900秒。点燃三支蜡烛后罩住并同时点击应用程序的开始按钮开始采集数据。待三支蜡烛全部熄灭后，让装置自然冷却至室温，并从电脑上读出数据。
现象和结论：
现象：问题4：燃着的蜡烛放入盛有80%二氧化碳和20%氧气的混合气体中，正常燃烧一会儿后才熄灭。
问题5：反复实验后发现，当蜡烛熄灭温度降低时，曲线出现突变。
结论：问题4：蜡烛的熄灭与二氧化碳的浓度上升无关，与氧气浓度下降有关，当氧气浓度低于某个值时，蜡烛不能燃烧。蜡烛熄灭的顺序与氧气浓度有关。
八、 反思小结
新课程理念提倡在教学中渗透以科学探究为主的多样化的学习方式，运用多种教学方式和手段，引导学生积极主动地学习，掌握最基本的化学知识和技能，为学生的终身发展奠定基础。数字化实验的引入，从定量分析的角度让实验结论更有说服力。通过实验数据，我们清楚地看到蜡烛从燃烧到熄灭装置内氧气和二氧化碳的浓度变化以及温度的变化，用数据事实说明蜡烛的熄灭顺序与二氧化碳浓度无关，而是与氧气浓度有关，当氧气浓度低于一定值时，蜡烛不能燃烧。在实验时，对于出现的异常现象也不能忽视，而是要交流思考查找原因，做出更好的改进，培养学生尊重事实，重视合作的科学精神和科学态度，让学生通过自主探究获得成功体验。
参考文献：
[1]课程教材研究所化学课程教材研究开发中心义务教育教科书《化学》九年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：117.
作者简介：李杨，安徽省合肥市，安徽省合肥市包河区第四十六中学。
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