巧用VC泡騰片設計并改進一些有趣的物理實驗

巧用VC泡騰片設計并改進一些有趣的物理實驗

曹 慧

(張家港市錦豐初級中學江蘇 蘇州215600)

摘 要：利用泡騰片在水中產生大量氣體的特性,設計和改進了一些中學物理實驗方案，開發泡騰片在物理教學實驗中的作用，取得較好效果.

關鍵詞：泡騰片物理實驗實驗潛力

收稿日期：(2014-12-11)

實驗是物理學的基礎，有趣的物理實驗可以帶動課堂氣氛，激發學生學習興趣.什么樣的物理實驗才是有趣的呢？物理實驗的趣味性很重要的一個方面來自實驗設計時的新穎性和創造性.

VC泡騰片是生活中常見的用來補充維生素的固體飲料，生活中常用它來制作橙汁飲料.泡騰片中含有碳酸氫鈉和有機酸(檸檬酸)，在沒有水的時候，它們不會發生反應，放入水中后，兩者溶于水形成有

機酸溶液和碳酸氫鈉溶液.其中有機酸中的氫離子和碳酸氫鈉中的碳酸根離子發生中和反應生成二氧化碳，化學反應離子式為：H++HCO3-→CO2↑.反應時，泡騰片會冒著氣泡在水面游走，同時發出“嘶嘶”聲，水的顏色也隨之改變，現象奇特有趣.利用泡騰片的這一奇妙特性，可以設計完成一些簡單、有趣的物理實驗.

1測量空氣的浮力和密度的實驗

文獻[1]提出一種利用“可樂和薄荷糖混合產生大量氣體”演示空氣浮力的實驗方案.筆者認為該實驗方案存在以下缺點：

(1)實驗氣體來自溶解在可樂中的二氧化碳氣體，氣體總量一定，且在打開可樂瓶連接含薄荷糖的氣球時會有大量氣體逸出，使得實驗用于產生空氣浮力變化的氣球的體積受到限制；

(2)可樂和薄荷糖混合產生氣體的過程過于激烈，二氧化碳氣體從可樂中瞬間逸出會造成瓶中可樂的噴發，有可能沖開氣球與可樂瓶的連接造成實驗失敗；

(3)可樂瓶開啟以后就會有氣體不斷逸出，因此氣球套在可樂瓶口后就被立即吹起，并且體積不斷變大，因此需要用透明膠帶將氣球圈緊，避免薄荷糖提前墜入可樂中，調整天平平衡也變成了一個動態過程，實驗需要快速完成，實驗節奏不容易控制.

針對以上缺點，筆者利用“泡騰片在水中反應產生二氧化碳”改進該實驗方案可以取得更好的實驗效果.改進方案優點如下：

(1)實驗產生氣體量可以控制，泡騰片遇水產生的二氧化碳源自酸和堿的化學反應，產生氣體的量可用泡騰片的數量決定，水在實驗中只是起到反應介質的作用，因此一小瓶水即可產生大量氣體.由于空氣密度很小，因此氣球膨脹的體積越大，實驗效果越明顯；

(2)實驗作用更完善，文獻[1]中的實驗由于受到氣球體積限制，僅能用來演示空氣中存在浮力，不能定量研究浮力的大小等，改進方案中采用大號氣球，可將氣球的直徑放大至35 cm甚至更大，可以用來粗略地測量空氣浮力的大小和計算空氣的密度；

(3)改進方案中氣體產生方式迅速且溫和，在泡騰片沒有進入水中之時，沒有氣體產生，因此實驗的進度可以隨意控制，操作更加簡單且實驗時有液體顏色變化和“嘶嘶”聲響，實驗效果更加有趣.

改進后的實驗方案如下.

1.1實驗目的

利用膨脹氣球受到空氣浮力作用，測量氣球受到的空氣浮力和空氣的密度.

1.2實驗器材

物理天平(配套砝碼),大號氣球,瓶裝純凈水,VC泡騰片,鋼尺.

1.3操作方法

(1)將物理天平水平放置在水平工作臺上，調整調平螺絲使天平支柱垂直，刀墊水平.

(2)將15片左右泡騰片(4 g/片)放入氣球中(可掰碎后放入)，打開純凈水瓶蓋，將氣球套于瓶口.再將純凈水放在天平左盤.

(3)在天平右盤里增減砝碼，調節游碼，使天平平衡，讀出左盤物體質量.

(4)將氣球中的泡騰片倒入純凈水，觀察泡騰片在純凈水中的反應和氣球體積的變化，待泡騰片與水反應完全，觀察天平變化，可看到天平左盤升高，指針向左偏轉，如圖1所示.說明氣球膨脹后左盤物體受到向上的空氣浮力作用.

圖1

(5)再次調整天平平衡，讀出左盤物體質量，計算左盤物體前后重力變化，即為物體受空氣浮力大小.

(7)將物理天平制動旋鈕向左旋動，放下天平橫梁.將純凈水瓶取下，砝碼放回盒中，游碼歸零，將天平復原.

1.4實驗分析

經實驗測定，60 g泡騰片(15片)在純凈水中反應產生的氣體可將氣球體積吹至0.014 m3，實驗前后托盤天平測得的質量變化約為15g，測得的空氣密度ρ約為1.07kg/m3與20℃時空氣密度1.205kg/m3接近.氣球受到的空氣浮力約為0.147N.

1.5注意事項

(1)氣球使用前應檢查其氣密性以及是否有老化現象，對于材質較硬的氣球可提前吹起后放置半小時左右備用.

(2)泡騰片在水中產生氣體的量與泡騰片的制造工藝和成分有關，為了達到理想的實驗效果，實驗前應進行產氣量測試，確定泡騰片的使用量，泡騰片用量要充足.

(3)泡騰片在水中的反應速度與水的溫度有關，可通過調節水溫來控制反應速度.不可用熱水進行實驗，防止純凈水瓶受熱變形.

2模擬石油開采的實驗

石油是人類社會的重要能源，關系到各方各業的生存發展，也關系到我們每個人的日常生活.石油是如何開采出來的呢？一般生活中常見到的石油開采畫面是一根采油管打下去，石油就自己噴出來了，這實際上只是石油開采的最初階段.一個油田中，大約只有1%～5%的石油會在地表壓力的作用下自己噴出地面，而大量的石油是貯藏在地下1 000 m深的巖石孔隙當中的，這些孔隙大都只有絨毛粗細，石油就像浸在海綿中的水一樣儲藏在“石頭縫”里.要想開采出更多的石油，傳統的方法是向地下高壓注水，然后用水力活塞泵把井下的石油泵出地面，這種方法可采到的油量占30%～40%，操作簡單但效率不高.還有一種熱力采油法，其基本原理是對油層注入高溫高壓蒸氣，加熱油層里的原油，使油壓升高，粘度降低，增加原油的流動性，同時用氣壓將原油推出地層.

在“能源與可持續發展”的相關教學中，教師講述和演示石油開采的過程和困難，更容易讓學生產生珍惜和節約利用非可再生能源的環保意識.演示石油開采過程的實驗設計如下.

2.1實驗目的

模擬石油開采的過程，講述“能源”與“環境”的關系.

2.2實驗器材

廣口瓶(或飲料瓶),玻璃管,橡皮塞,海綿,水,泡騰片,墨水,實驗托盤.

2.3操作方法

(1)將海綿塞入廣口瓶模擬儲油巖石，廣口瓶內加入適量清水，在水中滴加適量墨水模擬石油.

(2)將玻璃管穿過橡皮瓶塞，調節玻璃管進入瓶中的深度，使玻璃管剛好穿過海綿接近廣口瓶底部，并檢查橡皮塞的氣密性.

(3)將廣口瓶置于實驗托盤上，為了使實驗效果逼真，可以在托盤內放置一些沙子模擬石油開采的自然環境.

(4)將1顆泡騰片放入廣口瓶內，使其與浸有液體的海綿接觸，迅速蓋上橡皮塞，觀察實驗現象.

(5)通過觀察發現，泡騰片與海綿中液體接觸，產生大量氣泡；海綿中的黑色液體逐漸順著玻璃管向上涌出，噴出管口并污染實驗托盤中的沙子，如圖2所示.

圖2　“模擬開采油田”的實驗田

2.4注意事項

(1)泡騰片用量不能過多，否則會造成液體噴射而出，污染周圍實驗環境.

(2)瓶中液體以剛剛露出海綿為宜，使泡騰片剛剛接觸到液體又不會反應過快.實驗時要防止墨水噴濺.

(3)實驗時應使用冷水，以便有充足時間將瓶塞塞緊，并觀察到“石油”升至“地面”的過程.

(4)將實驗中的玻璃管換成膠頭滴管的玻璃管部分，該實驗也可作為演示氣體壓強作用的“模擬噴泉實驗”，如圖3所示.

圖3　噴泉實驗

3演示氣體壓強應用的氣墊舉物實驗

空氣雖然看不見，但是當壓強較大時，產生的現象往往出乎學生的意料之外，千斤頂就是應用氣體壓強作用的一種裝置.小小的千斤頂為何能支撐得起汽車這樣巨大的物體呢？這種現象很容易引起學生的好奇和興趣.在壓強知識教學前，教師可以靈活地使用一些有趣的體驗實驗，激發學生學習的興趣.在教學完成后，也可以安排一些拓展實驗，加深學生對知識的認識和理解.利用氣體產生的作用力=氣體壓強×受力面積，可以設計氣墊舉物的趣味實驗.使用泡騰片的氣墊舉物實驗設計如下.

3.1實驗目的

演示氣墊舉物，展示氣體壓強的作用，粗略計算氣墊內壓強.

3.2實驗器材

大號塑料袋(也可用熱水袋、充氣床墊等，效果更佳),硬木板,重物(書本或磚塊),水,泡騰片,注射器,彈簧測力計,刻度尺.

3.3操作方法

(1)將適量泡騰片碾碎裝入熱水袋中，在熱水袋上放置硬木板，將重物放在硬木板上，盡量使重物重心位于熱水袋中央位置.

(2)讓學生用手抬起木板和重物，體驗物體重量.然后將木板和重物放回熱水袋上.

(3)用注射器將水快速注入熱水袋，然后將熱水袋塞子旋緊，稍微抬起熱水袋一角，使液體與泡騰片粉末充分接觸.

(4)觀察實驗現象，可見熱水袋逐漸膨脹，并撐起木板和重物，如圖4所示.

圖4　熱水袋膨脹后將重物撐起

(5)用彈簧測力計測量重物重力，然后用刻度尺粗略測量熱水袋與木板接觸面積.估算熱水袋內氣體壓強.

3.4注意事項

(1)熱水袋上重物質量視熱水袋面積而定，重物最好為整塊扁平狀，避免熱水袋膨脹時重心偏移從木板上跌落.

(2)用注射器注入的水量要充足，用溫水和熱水效果更佳.

4總結

泡騰片在物理實驗中的優點非常明顯，應用于物理實驗有其獨到之處.

(1)其反應條件簡單，有水即可反應，反應過程能產生大量二氧化碳氣體，且反應過程不會產生有害物質.

(2)價格便宜，易獲取、易保存，不需要提前配制，不需要專門的反應容器，體積小，易粉碎.

(3)泡騰片的反應易于控制，通過控制水的溫度即可控制氣體產生的快慢.單位質量泡騰片的產氣量大，產氣量與溫度和反應介質無關，易于控制變量.

利用泡騰片的這些特點，便可以將其應用到許多需要大量產生氣體的物理實驗.一件實驗器材或物品的好壞，除了取決于其在實驗中的效果外，其在物理實驗設計中的潛力也很重要.將已有的裝置和物品，盡可能多地應用于不同的實驗當中，說明不同的物理原理，這是一種有效且經濟的物理實驗設計思路[2].根據泡騰片的特性，廣大教師還可以把它應用于更多的物理實驗當中，開發設計出更多有趣的物理實驗.

參 考 文 獻

1孫藝，袁海泉，解問鼎.空氣浮力的演示實驗.物理教師，2014(2)：48

2陶洪.物理實驗論. 南寧：廣西教育出版社，2007.112～113