淺談如何利用數字化實驗分析高低蠟燭熄滅順序

摘 要：人教版九年級化學上冊第六單元課題3《二氧化碳和一氧化碳》中學習了關于《高低蠟燭熄滅順序》的實驗。學生根據二氧化碳的性質分析現象。結合引入氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器測量后發現，原先的結論是有問題的。實驗表明蠟燭的熄滅與氧氣濃度有關。

關鍵詞：二氧化碳濃度;氧氣濃度;數字化實驗

一、 引言

初中化學實驗教學模式隨著數字化實驗的推廣，從簡單的定性分析轉換成數據說話的定量分析，通過在實驗中對氣體濃度數據分析，讓學生認識燃燒與氧氣濃度有關。

二、 提出問題

問題1：人教版九年級化學上冊第6單元課題三實驗6-3中，把二氧化碳氣體慢慢倒入燒杯中，如圖1所示，蠟燭會由低到高依次熄滅，產生此現象的原因是什么？

問題2：如圖2所示，點燃2根蠟燭后，將大燒杯倒扣在兩支點燃的不同高度的蠟燭上方，哪根蠟燭先熄滅？原因是什么？

問題3：在圖2中倒扣燒杯中的蠟燭全部熄滅后，燒杯內還有沒有氧氣剩余？

三、 分析問題

學生通過實驗驗證，討論后做出了如下分析。

問題1：蠟燭由低到高熄滅的原因：二氧化碳的密度比空氣大且不可燃不助燃，矮的蠟燭先接觸到了二氧化碳，所以矮的蠟燭先熄滅，高的蠟燭后熄滅。

問題2：蠟燭由高到低熄滅的原因之一：蠟燭燃燒產生二氧化碳，燃燒放出的熱量促使二氧化碳氣體受熱膨脹，聚集在燒杯上部位置，高的蠟燭先接觸到二氧化碳，高的蠟燭先熄滅，矮的蠟燭后熄滅。

蠟燭由高到低熄滅的原因之二：蠟燭燃燒消耗氧氣，上部氧氣先被消耗，高的蠟燭先熄滅，矮的蠟燭后熄滅。

問題3：75%的學生認為只有較少的氧氣剩余，21%的學生認為有大量氧氣剩余，4%的學生認為沒有氧氣剩余。

四、 解決問題

問題2和問題3學生的觀點都出現了爭議。問題2引導學生利用酚酞、澄清石灰水、濾紙條，通過設計實驗定性分析初步得出結論。

問題3利用傳統實驗無法解決，利用威尼爾數字化實驗的氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器測反應前后裝置內的氧氣、二氧化碳濃度變化量，解決問題并出現意外收獲。

五、 設計實驗

問題2：定性分析

實驗器材：大燒杯、2支高度不同的普通蠟燭、火柴、酚酞、澄清石灰水、濾紙條、膠頭滴管、鑷子。

實驗裝置：

實驗步驟：如圖3所示，將濾紙條在飽和澄清石灰水中浸濕后取出，滴加無色酚酞，變紅后在大燒杯的上下不同位置處各貼一張，將2支蠟燭點燃后，用大燒杯罩住，觀察濾紙條顏色變化先后順序。

問題3：由于燒杯不方便同時放置氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，所以重新自制了一個大的裝置，裝置體積變大后，為了節省時間，方便測量，把2支蠟燭換成了3支高低不同的蠟燭。測定容器內氣體濃度變化量。

實驗器材：3支高低不同的普通蠟燭、飽和碳酸氫鈉溶液、火柴、自制容器、氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、采集器、計算機。

實驗裝置：

實驗步驟：如圖4所示，把氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器放在自制容器上方，為了使裝置更好的密封并防止產生的二氧化碳溶解在水中，在容器下用飽和碳酸氫鈉溶液液封，并在放置傳感器的連接處纏繞保鮮膜。

連接好裝置后，啟動電腦應用程序并設置基于時間采集數據模式，每4秒鐘采集1個數據，橫坐標是時間，縱坐標的左側是氧氣濃度，設定范圍從0%～22%，縱坐標的右側是二氧化碳濃度，設定范圍從0%～3%，時間設定為900秒。點燃三支蠟燭后罩住并同時點擊應用程序的開始按鈕采集數據。待三支蠟燭全部熄滅后，讓裝置自然冷卻至室溫，并從電腦上讀出數據。

六、 實驗現象

圖3實驗：燒杯倒扣在點燃的高低不同的蠟燭上方時，蠟燭從高到低依次熄滅，紅色濾紙條高的先褪色，低的后褪色。

圖4實驗：自制容器內氧氣含量的初始數值為20.96%，實驗結束后最終數值為17.04%，容器內二氧化碳的初始數值為0.062%，實驗結束后最終數值為2.082%。

同時發現每次在三支蠟燭全部熄滅的時候，曲線會出現一次突變，氧氣濃度會突然上升，二氧化碳濃度會突然下降，反復實驗也是出現相同的現象。

七、 交流討論

提出問題：

問題4：在自制容器內三支蠟燭全部熄滅并冷卻后，用數字化實驗測出的氧氣濃度降低3.92%，二氧化碳濃度只增加2.02%，蠟燭的熄滅是因為二氧化碳濃度高嗎？

問題5：為什么在3支蠟燭都熄滅的時候，曲線會出現突變？

猜想假設：

問題4：蠟燭熄滅與氧氣濃度降低有關。

問題5：曲線突變與熄滅后溫度下降有關。

實驗設計：

問題4：利用排水法收集一瓶混有80%二氧化碳和20%氧氣的混合氣體，將燃著的蠟燭伸入瓶中，觀察蠟燭是否熄滅。

問題5：在原有裝置的基礎上，引入高溫傳感器，同時測量溫度。

實驗用品：

問題4：集氣瓶、分液漏斗、量筒、燒杯、導管、橡膠塞、錐形瓶、止水夾、過氧化氫、二氧化錳、可樂等。

問題5：3支高低不同的普通蠟燭、飽和碳酸氫鈉溶液、火柴、自制容器、氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、高溫傳感器、采集器、計算機。

實驗步驟：

問題4：按照圖5連接好裝置，檢查完裝置氣密性后，在集氣瓶中裝滿水，打開分液漏斗的旋鈕，反應一段時間后，排盡裝置內的空氣，用帶火星的小木條在右側導管口檢驗后，用排水法收集氧氣，通過觀察左側量筒里的液體體積來控制收集的氧氣體積。等氧氣收集了集氣瓶體積的20%以后，改用如圖6所示裝置繼續用排水法收集二氧化碳。雖然二氧化碳能溶于水，但二氧化碳的溶解速率慢，為了獲得更純凈的二氧化碳，在這里不選擇實驗室制取二氧化碳的方法，而是直接把裝置連接可樂瓶，利用振蕩的方法收集二氧化碳。這樣就得到一瓶混有80%二氧化碳和20%氧氣的混合氣體。

問題5：如圖7所示，把氧氣濃度傳感器和二氧化碳濃度傳感器放在自制容器的上方，為了使裝置的密封性更好并防止產生的二氧化碳溶解在水中，在容器下面用飽和碳酸氫鈉溶液液封，并在放置傳感器的連接處纏繞保鮮膜。引入高溫傳感器，放在氧氣濃度傳感器同一側。

連接好裝置后，啟動電腦應用程序并設置基于時間采集數據模式，每4秒鐘采集1個數據，橫坐標是時間，縱坐標的左側是氧氣濃度，設定范圍從0%～22%，縱坐標的右側是二氧化碳濃度，設定范圍從0%～3%，下面是測出的裝置內溫度，時間設定為900秒。點燃三支蠟燭后罩住并同時點擊應用程序的開始按鈕開始采集數據。待三支蠟燭全部熄滅后，讓裝置自然冷卻至室溫，并從電腦上讀出數據。

現象和結論：

現象：問題4：燃著的蠟燭放入盛有80%二氧化碳和20%氧氣的混合氣體中，正常燃燒一會兒后才熄滅。

問題5：反復實驗后發現，當蠟燭熄滅溫度降低時，曲線出現突變。

結論：問題4：蠟燭的熄滅與二氧化碳的濃度上升無關，與氧氣濃度下降有關，當氧氣濃度低于某個值時，蠟燭不能燃燒。蠟燭熄滅的順序與氧氣濃度有關。

八、 反思小結

新課程理念提倡在教學中滲透以科學探究為主的多樣化的學習方式，運用多種教學方式和手段，引導學生積極主動地學習，掌握最基本的化學知識和技能，為學生的終身發展奠定基礎。數字化實驗的引入，從定量分析的角度讓實驗結論更有說服力。通過實驗數據，我們清楚地看到蠟燭從燃燒到熄滅裝置內氧氣和二氧化碳的濃度變化以及溫度的變化，用數據事實說明蠟燭的熄滅順序與二氧化碳濃度無關，而是與氧氣濃度有關，當氧氣濃度低于一定值時，蠟燭不能燃燒。在實驗時，對于出現的異常現象也不能忽視，而是要交流思考查找原因，做出更好的改進，培養學生尊重事實，重視合作的科學精神和科學態度，讓學生通過自主探究獲得成功體驗。

參考文獻：

[1]課程教材研究所化學課程教材研究開發中心義務教育教科書《化學》九年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：117.

作者簡介：李楊，安徽省合肥市，安徽省合肥市包河區第四十六中學。