指向銜接九年級化學的“氣體的壓強”補充實驗教學

摘 要：在現行多版本八年級物理教材中，“氣體壓強”與溫度、密度變化關系，或不作要求，或一帶而過，然而卻在九年級化學的學習中被頻繁使用.針對這種學科間知識脫節現象，亟需教師探索一套用于補充教學的創新實驗方案.

關鍵詞：銜接;氣體壓強;實驗教學

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0037-03

作者簡介：葉鳴揚（1990- ），男，江蘇南京人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理教學、實驗創新、學科融合.

1 問題背景——化學教師反映教學存在困難

在九年級化學教學過程中，許多現象分析、結論得出都要用到物理知識.這些物理知識并不會在化學教材中詳細說明，而是直接運用.據化學教師反映，多數學生對需要用到的物理知識存在掌握不牢、一知半解甚至毫無印象的狀況.顯然這些學生存在同學段學科間知識脫節問題，而這一問題在“氣體的壓強”教學上尤為突出.

1.1 密閉空間內的氣壓隨溫度的升高而增大——學生對這一規律缺乏認識

如圖1所示的化學實驗：檢查裝置的氣密性.用手緊握試管，如水中導管口有氣泡冒出，說明裝置不漏氣.針對這一方法，教材并未解釋其物理原理，只是在正文中以括號的形式加入夾注“（為什么？）”.顯然，教材編寫者認為，剛上九年級的學生已經掌握相關物理知識，無需教材解釋，學生可以回答.

筆者隨機詢問部分學生“為什么？”，很少有學生能聯系氣壓與溫度的關系這部分知識.而要用到這一關系分析的問題還有很多.再如圖2所示實驗：制取氧氣.氧氣制取結束后，應當先取出水槽中的導管，后熄滅酒精燈.如果步驟顛倒，則會導致水被倒吸入試管，引起試管驟然遇冷而炸裂.學生對產生上述后果的原因的理解狀況同樣不理想.

1.2 密閉空間內的氣壓隨密度的增大而增大——學生對這一規律缺乏認識

如圖3所示的化學實驗：測量空氣中氧氣含量.打開彈簧夾之前，盛滿空氣的集氣瓶處于密閉狀態（局部有少量水）.紅磷燃盡瓶內氧氣并充分冷卻后，打開彈簧夾，燒杯中的水會被“吸”入集氣瓶，直至瓶中水平面上升至容積1/5.

筆者與學生交流后發現，學生普遍可以說出水被“吸”入集氣瓶的原因是瓶內氣壓小于外界大氣壓，水是被大氣壓壓入集氣瓶.但被問及：瓶內氣壓為何會變小時，多數學生不能聯系氣壓與密度關系.

類似問題還存在于“二氧化碳的溶解性”實驗，如圖4所示.向集滿二氧化碳的軟質塑料瓶中倒入體積約為1/3的水，教材要求學生根據塑料瓶慢慢變扁的現象分析原因.

2 反思困難根源，設計銜接教學

以蘇科版初中物理教材為例，蘇科版物理《教師教學用書》對“§10.3氣體的壓強”一節提出如下教學目標：

（1）通過實驗，感受大氣壓的存在;

（2）知道測量大氣壓強的方法，學會估計大氣壓的數值;

（3）通過實驗，了解流體壓強與流速的關系及其在生活中的應用，能簡單解釋飛機如何獲得升力;

（4）通過觀察和探究，養成關注周圍現象的意識，掌握研究未知問題的方法.

教學目標和教材主要圍繞“大氣壓”進行設計，并提到氣壓與流速、海拔和空氣濕度有關，但沒有涉及密閉空間內氣壓與溫度、密度的關系.此處物理教學目標和化學學習需求之間存在明顯脫節，這是造成很多學生在初學化學時感到困難的重要原因之一.

筆者經研究發現，人教版、教科版等義務教育階段物理教材，都沒有對密閉空間內氣壓與溫度、密度的關系進行詳細探究與總結.

因此，筆者在“氣體的壓強”教學中，加入創新實驗“初探影響密閉空間內氣體壓強大小的因素”，嘗試填充這一空白.補充實驗設置如下教學目標：

（1）通過實驗探究，知道密閉空間內氣體壓強不一定等于大氣壓;

（2）通過實驗探究，知道密閉空間內氣體壓強隨溫度升高而增大;

（3）通過實驗探究，知道密閉空間內氣體壓強隨密度增大而增大;

（4）運用探究得出的結論，解釋教材中一些實驗現象背后的原理.

3 補充部分教學過程——初探影響密閉空間氣體壓強大小的因素

3.1 第一環節（對應教學目標1）

教師舉起敞口空礦泉水瓶，向學生提問：瓶內的氣壓是不是大氣壓？學生易答：是.通過逐層深入追問，讓學生理解，當某部分氣體與外界大氣聯通且達到穩定狀態時，它的氣壓就是大氣壓.

如圖5所示，教師用橡皮膜、橡皮筋將瓶口封死，再問：此時瓶內氣壓是否還是大氣壓？氣壓值是否等于大氣壓？你又是如何得出結論？通過該組問題串，讓學生理解，密閉空間氣體與大氣隔絕，不能稱為大氣壓;但此時內部氣壓仍然等于大氣壓，可以通過“橡皮膜表面平整”這一現象推知.

教師用力捏瓶子，引導學生發現橡皮膜外凸，提問：此時瓶內氣壓是否還等于大氣壓？你是如何得出？學生不難回答：橡皮膜外凸，受壓后瓶內氣壓大于外界大氣壓.

教師請學生根據生活經驗猜測，密閉空間的氣壓大小可能與哪些因素有關.學生會猜測：溫度、密度、體積等因素.

3.2 第二環節（對應教學目標2）

教師連接圖6裝置.U形管是學生在學習液體壓強時已經熟悉的器材.筆者這里改用U形管兩側液面高度差反映密閉空間內氣體壓強大小變化，學生更容易接受.

起初用彈簧夾封住橡皮管，此時試管至彈簧夾一段氣體可以視作密閉空間內氣體.效仿化學實驗“檢查裝置氣密性”，采用手捂的方式對試管內氣體進行加熱.教師手捂試管10秒后，打開彈簧夾，發現U形管與試管相連的一側，液面變低（如圖7所示）.這說明之前密閉空間內氣壓增大.

引導學生得出定性結論：密閉空間內氣體壓強隨溫度升高而增大.

3.3 第三環節（對應教學目標3）

如圖8所示，將試管和玻璃導管更換為膠頭滴管，夾緊彈簧夾，此時膠頭滴管至彈簧夾一段氣體可以視作密閉空間內氣體.為防止手的溫度改變膠頭滴管內氣體溫度，我們將膠頭滴管固定在另一鐵架臺上，通過旋轉螺絲擠壓膠頭，改變密閉空間氣體體積、密度.

擠壓膠頭后，再次打開彈簧夾，發現U形管中與滴管相連一側，液面變低（如圖9所示）.這再次說明之前密閉空間內氣體氣壓增大.

進而引導學生得出定性結論：密閉空間內氣體壓強隨密度增大而增大.教師提示，改變密度不僅可以通過改變體積實現，還可以通過改變質量實現.

3.4 第四環節（對應教學目標4）

回顧本節引入實驗：體驗大氣壓的存在（如圖10所示）.請學生根據所得結論解釋現象.

瓶口剛塞上橡皮泥的瞬間，內外氣壓近似相等.隨著冷卻過程推進，罐內溫度降低，罐內大量水蒸氣發生液化，導致罐內氣體溫度和密度均降低，所以罐內氣壓降低.而外界大氣壓不變，故易拉罐被壓癟.

教師還可以讓學生解釋“生活·物理·社會”中“冷水助沸”問題（如圖11所示）.

燒瓶中水被加熱至沸騰后，停止加熱，堵住瓶口，將燒瓶倒置.向瓶底澆適量冷水后會發現瓶內的水重新沸騰.這是因為瓶內大量水蒸氣遇冷迅速液化，瓶內氣體密度降低，氣壓下降，水的沸點也降低.當水的沸點低于水的溫度時，即可重新沸騰.

4 小結

本實驗理論依據如下：由理想氣體狀態方程pV=nRT可推知p=nVRT，其中p為氣體壓強、V為氣體體積、T為熱力學溫度、R為理想氣體常量8.31J/（mol·K）、n為氣體物質的量.若氣體質量為m，摩爾質量為μ，由n=mμ又可推出p=1μ·mVRT=RμρT.可見，在氣體種類確定情況下，密閉空間內氣體壓強隨密度增大而增大，隨溫度升高而增大.由于無法對八年級學生進行上述推導教學，故本實驗僅需得出初步定性結論即可.

作為教師，我們既不能只教教材，也不應局限在本學科“考試范圍”內各自為戰，而應該著眼于培養學生綜合素質與促進學生長遠發展，不僅要知道學生眼下需要什么，還要注重學生在將來發展過程中可能會需要什么.正是在這種思想指導下，本實驗被引入課堂，既可以讓新課實驗現象得到解釋，又能讓學生知識體系更加完善，以便為學生今后化學學習做好銜接準備.

參考文獻：

[1]李燕妙.大氣壓強系列實驗的改進與創新[J].中學物理，2020，38（18）：37-39.

[2]費志明.基于思維品質的“大氣壓強”教學設計[J].物理教學探討，2020，38（09）：32-35.

[3]錢曉東.以情境促真實體驗 以感知助概念建構——以“氣體的壓強”教學為例[J].中學物理教學參考，2020，49（30）：39.

[4]丁憶凡.多維實驗課堂 玩轉規律教學——以“氣體壓強2”一課為例[J].新課程（中學）， 2018（09）：72.

[5]唐成晨.五版本初中物理《大氣壓強》對比分析及教學啟示[J].理科考試研究，2019，26（18）： 39-43.

（收稿日期：2021-07-17）