微粒運動改進實驗的探索與反思

■王劍鋒

一、發現實驗問題

在多年的教學實踐中，筆者發現，采用滬教版初中化學教材中的實驗裝置（圖1）探究微粒的運動性時，是存在一些問題的：

圖1 化學教材中的實驗裝置

1.氨水的使用量偏多，既造成浪費，又污染空氣。濃烈的氨水氣味會給師生帶來生理上的不適，不符合綠色化學的理念。

2.由于生產廠家不同，容量同樣是1000ml的大燒杯，其高低、直徑都有可能不同，不一定能罩住兩個小燒杯，造成器材準備上的重復工作，浪費時間和精力。

3.盛有酚酞和蒸餾水的燒杯中，與空氣接觸的液面先變紅，現象不明顯，而且液體全部變紅需要時間。由于小燒杯被大燒杯罩住，操作者不能用玻璃棒攪拌液體或者拿起燒杯振蕩液體。

4.受實驗裝置限制，只有班級前排的幾個學生能夠清楚地觀察到實驗現象。

5.這套裝置只適合做教學中的演示實驗，無法進一步探究溫度對微粒運動的影響。

二、進行探索反思

基于上述問題，筆者覺得很有必要對該實驗方案進行改進。在一道探究微粒運動的化學實驗題中，筆者發現了一個改進裝置（圖2），似乎可以解決教材實驗中存在的一些問題：1.用試管代替燒杯，可以進行液體振蕩操作；2.在一個封閉的體系中進行實驗，氨氣不會外泄；3.可以進一步探究溫度對微粒運動的影響。

圖2 化學習題中的改進裝置

為了探索改良方案，筆者使用三套實驗裝置進行了對比實驗。第1套為教材上的實驗裝置，第2套為化學習題中的改進裝置。考慮到第2套裝置中的彎導氣管的折彎處過于狹窄，可能會影響微粒通過，筆者設計了第3套裝置：將第2套裝置中的試管改為相同容積的具支試管，將單孔橡皮塞改為橡皮塞。在三組實驗中，酚酞的用量和氨氣濃度都保持一致，具體實驗效果為：在裝置1中，盛酚酞試液的燒杯中的液面馬上變色，1min內全部液體變色明顯；在裝置2中，盛酚酞試液的試管中的液面10min左右開始變色，15min后全部液體變色明顯；在裝置3中，盛酚酞試液的試管中的液面5min左右開始變色，8min后變色明顯。

從實驗效果來看，裝置1反而最適合課堂演示，而裝置2、3都不適合。從能否探究溫度對微粒運動的影響的角度來看，裝置1是不適合的，裝置2、3則是可以的，但會出現橡皮塞彈出來的意外情況。實驗結果令原本的期望完全落空，筆者就此進行了反思：從課程的層面來看，教材中的實驗裝置雖然有不少缺點，但它是經過很多一線教師實踐的，并由專家篩選出來的經典方案，具有較強的可操作性和示范性；但這也并不意味著一線教師不能對教材中的實驗方案或裝置進行改進。從實驗的層面來看，教材中的方案是“敗也燒杯，成也燒杯”。小燒杯的高度比較低（h=6cm），從濃氨水的液面到酚酞和蒸餾水的液面，氨分子運動的距離最短，所以燒杯內的酚酞試液變紅的時間也最短。因為小燒杯(d=6cm)中的液體與空氣的接觸面較大，即在同一時間內，有較多的氨分子可以到達酚酞和蒸餾水的液面，所以酚酞試液變色明顯。在改進方案中，酚酞試液變色主要受以下因素影響：試管（d=2cm）中的液體藥品與空氣的接觸面小，在同一時間內，擴散到空氣中的氨分子數量相對較少；導氣管較狹窄，影響微粒的通過；試管（h=19cm）相對較高，氨分子的運動距離較長。其中后兩點因素影響較大，所以方案2中，酚酞試液變色的時間最長。另外，改進方案中的試管容積小、密封性好，當溫度過高，試管內的氣體壓強超過大氣壓時，橡皮塞就被彈了出來。

三、改進實驗方案

對三套實驗裝置的優缺點進行反思后，筆者開始著手尋找“最佳”容器。最終，筆者把目光鎖定在生活中常見的飲料瓶上，將其從橫豎兩個方向進行連接，制作實驗裝置，探索改進實驗的方案。

橫向一：尾對尾連接

原料器材：底部帶有螺旋紋的礦泉水瓶（350ml和500ml）各兩個，棉花團4個，滴管，鑷子，剪刀。

制作方法：剪去兩個相同容量的水瓶的底部，將其尾對尾連接。由于水瓶的下半部分是螺旋紋，剪去底部的兩個瓶子正好可以卡住，形成一個整體。

實驗步驟：1.用鑷子將滴有一滴管酚酞和蒸餾水混合液的棉花團從一個水瓶口放入水瓶中；2.用鑷子將滴有一滴管濃氨水的棉花團從另一個水瓶口放入水瓶中；3.旋緊瓶蓋，觀察現象。

實驗效果：水瓶中的棉花團在相距7cm時，酚酞立刻變色；在相距30cm時，酚酞1min左右開始變色。

裝置優點：制作簡單；操作簡單；節約藥品；可以調節棉花團之間的距離；白色的棉花團令實驗現象較為明顯。

橫向二：口對口連接

原料器材：可樂瓶（500ml）或與之口徑相同的飲料瓶兩個，針頭注射器（或滴管）兩個，直徑1寸的透明膠皮管，剪刀。

制作方法：剪一段膠皮管（約兩個瓶蓋高），用其將兩個橫向相對的可樂瓶的瓶口連接起來（可用微量洗潔精潤滑）。然后，將注射器的針頭分別扎在兩個可樂瓶的突起部位。（可樂瓶的上半部和下半部都有突起處，橫放時，突起處可盛放不超過15ml的液體藥品。）

實驗步驟：1.用注射器吸取10ml酚酞和蒸餾水的混合液，注入瓶內突起處；2.用注射器吸取5ml濃氨水，注入突起處；3.要探究溫度對微粒運動的影響，就在濃氨水處放一杯熱水，并觀察現象。

實驗效果：兩個注射器針頭之間的距離為40cm時，8min后，酚酞變色明顯；放置熱水1min后，酚酞變色明顯。

裝置優點：制作簡單；操作簡單；可以控制液體藥品的量；可以探究溫度對微粒運動的影響。

豎向：尾對尾連接

將橫向一方案中尾部連接的水瓶豎向擺放。

實驗步驟：1.將滴有酚酞和蒸餾水混合液的棉花團或吸水紙用瓶蓋固定在上瓶的瓶口處；2.用滴管或鑷子將濃氨水或蘸有濃氨水的棉花團滴入或放入下瓶的瓶蓋中，旋緊瓶蓋；3.固定裝置，觀察現象。

實驗效果：當上瓶的瓶口處固定了一個蘸有酚酞和蒸餾水混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中放置帶有一滴濃氨水的棉花球，兩者距離約為40cm時，1min左右，酚酞變色明顯；當上瓶的瓶口處固定了一個蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中放了一個裝有3滴管濃氨水的小試管，兩者距離約為40cm時，1min左右，酚酞變色明顯；當上瓶的瓶口處固定了一個蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶蓋中滴加了3滴濃氨水，兩者距離約為40cm時，1min左右，酚酞變色明顯；當上瓶的瓶口處固定了一個滴有混合液的餐巾紙條（等距離滴幾個點），下瓶的瓶蓋中滴加了2滴濃氨水，紙條與瓶蓋之間的距離約為20cm時，1min后，紙條上的各點逐漸變紅。

裝置優點：與橫向裝置相比，豎向裝置有更多的選擇，如可以在上瓶的瓶口處放棉花、紙條、紙花等，在下瓶的瓶蓋中可以放棉花或小試管等玻璃容器，也可以直接把瓶蓋作為盛放藥品的容器；藥品使用量非常少；實驗效果比較明顯；實現了化學實驗的綠色化。

在此次實驗改進活動中，筆者經過反復探索和鉆研，最終設計出多種實驗方案。改進后的方案既能充分證明微粒是不斷運動的，又能進一步探究溫度對微粒運動的影響；既可以用于教師的演示實驗，又可以用于學生的操作實驗。同時，實驗方案也實現了綠色化、生活化、趣味化的有效融合。筆者認識到，只有通過實踐，我們才能發現實驗方案的不足，才能找到解決方法，才能設計出更優質的實驗方案。