教育技术装备内知识系统的建构和发展（续三）

新乔 赵晓宁 任熙俊

（接上期）

拉瓦锡的燃烧实验：测量、技巧、方法  拉瓦锡重视利用非常精确的实验技巧来处理实际问题，并常常由此发现其中的理论意义。他是一位不知疲倦的组织者、研究者和使自己的思想、方案实现的促进者。[9]99

1772年夏天，拉瓦锡开始思考有关空气的问题，这时他已经熟悉杜尔哥关于物质蒸汽态的理论。这时有两件不起眼的学术问题使拉瓦锡开始注意燃烧问题。拉瓦锡开始实验时，他也学到更多有关金属煅烧的知识。那年春季，法国科学院出版了德莫尔沃（1737—1816）的著作《科学院以外的话题》，书中详细描述了所有金属在煅烧时所获得的重量。这是一个颇有争议的问题，因为这意味着燃素的减少反而增加了重量;并且不是少数特例，而是所有金属煅烧时均如此。对此，燃素理论不容易做出解释。[9]100

关于燃烧问题，按照燃素理论：

铅铅灰（一氧化铅）+燃素

铅灰+木炭（燃素源）铅

按拉瓦锡的意见：

铅+普通空气铅灰

铅灰+木炭铅+固定空气

现在的解释：

2Pb+O22PbO

2PbO+C2Pb+CO2[9]101

当拉瓦锡用铅灰与木炭进行还原反应时，他很高兴地收集到大量的“空气”，但它是固定空气，因为它是金属灰在还原反应中放出的空气。可以假定固定空气就是金属被煅烧时从大气中所吸收的空气，但是煅烧在固定空气的情形下不能发生，因此铅吸收的空气不可能是固定空气。当拉瓦锡把燃素转移到空气中去的时候，他并没有完全摆脱燃素论。根据拉瓦锡的观点，实际上是空气或部分空气在燃烧，因为火是从空气中释放出来的。[9]102-103

拉瓦锡继续他的实验，在密闭的干馏器中用加热的办法煅烧铅和锡。他发现密闭的容器在加热前后重量没有改变，这说明没有可称量的“火物质”穿过干馏器的壁。当打开容器时，可以听到空气冲进去的声音，金属灰也将重于金属。空气与金属结合产生金属灰，他对此似乎已经确信不疑，并在1774年11月12日向法国科学院报告了这些实验。但很遗憾，这一实验早已有人做过。[9]104

这一实验是另一位科学家普里斯特利用一块很大的取火鏡做的，这个透镜的直径有12英寸，平时他用它来燃烧在实验室偶然碰到的而又使他感兴趣的任何物体。然而他并没有什么理论构思，也承认唯一可能的做这个实验的原因只是自己做过许多这样的实验，因而只需很轻微的刺激就会使自己再做一次这种实验。使他十分惊讶的是，当他用透镜加热水银灰时，它在没有木炭的情形下变成了水银。他也收集到相当数量的空气，一支燃着的蜡烛或一块烧着的木块放进这种空气中以后，燃烧得更加明亮。普里斯特利想，自己收集的也许是“燃素化硝石空气”（phlogisti-

cated nitrous air，即一氧化二氮，或称“笑气”）。这种空气是他在早些时候发现过的，而且发现它能支持燃烧。他没有收集和测试这种气体，一直到1775年的2月和3月才又进行了—系列新的燃烧实验。[9]104

拉瓦锡也收集了水银灰还原时产生的空气，并用石灰水测试后，才发现这种空气并非像巴扬猜测的那样是固定空气。他发现这种空气支持燃烧，并像普里斯特利一样，假定它是燃素化硝石空气，但因为它支持燃烧，所以也有可能是普通空气。为此，拉瓦锡做了普里斯特利曾经设计测定空气“精华”的实验。测试过程是：将两个体积的待测空气置于倒置量杯的水面之上，然后加入一个体积的硝石空气（一氧化氮）。普里斯特利发现如果待测空气是普通空气，注入硝石空气后其体积将减小五分之一（一氧化氮与被测空气中的氧化合产生二氧化氮，后者高度溶解于水），当被测空气被燃烧“污染”以后，体积就一点儿也不会减小。[9]106-107

拉瓦锡发现，水银灰还原过程中产生的空气，其体积减小五分之一，说明这空气是普通空气;如果在待测空气中加入比测试所需要的更多的硝石空气，从水银灰得到的空气将比普通空气收缩得更多，但他没有加入更多的硝石空气。这一测试证实了他的理论预言，即任何金属煅烧时吸收的空气与金属灰用木炭加热时放出的空气并不相同，当他用木炭加热水银灰时，得到预期中的固定空气，这是他的理论的一个胜利。因为它说明这种空气与金属化合而产生金属灰，固定空气应该是从金属灰中释放出来的普通空气与木炭中的碳的一种化合物。在他的1775年4月16日著名的复活节备忘录中，他宣称由水银灰释放的空气完全是“没有任何改变的空气自身”。[9]107

拉瓦锡对水的分析，为氧理论最终取得成功作出重要贡献。他已经证明空气是一种混合物，现在又证实水是一种化合物，两个古老的元素在10年之内先后屈从了他的分析。在化学新语言中，易燃空气改名为“氢”（hydrogen），其意思是“水的生成者”。新的名称巩固了新的理论。[9]110

生命能量：关于呼吸的实验  1860年以后，生命能量学成为呼吸和新陈代谢研究的基本主题。其经典的工具是呼吸量热器，活体产生的热可加以直接或间接测量。直接测量的范例是拉瓦锡和拉普拉斯的方法：量热器中冰融化的数量可被认为是实验动物所产生的热量的直接指数。[5]152

如图4所示，在冰量热器中，冰充满内外两层固体墙之间以及与最里面的实验篮之间的内部空间，实验动物被放在实验篮中，然后整个仪器被密封，并使它尽可能地与环境达到热平衡。动物产生的热将里层的冰融化成水，该水被收集在容器P中。这些融化了的水标示着生物产热的能力，这使得冰量热器成为早期研究呼吸之化学、物理学基础必不可少的工具。[9]81-82

对动物热产物的间接测量就更复杂了。相互独立的实验（如弗兰克兰的那些实验）证明碳水化合物、脂肪和蛋白质完全燃烧时，都产生数量明确的热能以及数量固定的、各自不同的气体产物。于是，从产生的气体就可以计算出食物中在体内降解的营养成分的数量，从而转换成这些数量所对应的热能。然而，在生物体中，呼吸的最终产物并不完全是气态的，也有一些含氮物质（尿素、尿酸、肌酸酐）排出，这些产物并没有被完全氧化，于是就将食物中营养成分连带人体内的部分能量转移走了。因此，间接方法需要对所有的呼吸产物进行非常仔细的检验。[5]152

用来对热产物进行間接测量的基本仪器在1849年问世。如图5所示，这是一个由管子和小室组成的封闭系统，氧气由左边的管子输送给小室中的狗，狗产生的二氧化碳由右上端的管子转移出实验小室。实验小室中安放了测量温度和压力变化的工具，小室中实验动物所产生的二氧化碳可被吸收并被称重;需要时，还可加入数量确定的氧气。这个装置，加上后来对它的改进，可以长时间地控制及分析具有生理学意义的所有气体的消耗及产生。[5]153-154

人们不断改进这种仪器，其中最著名的一种能够不断地将严密控制的空气输送到小室中。由于要按固定的时间间隔对仪器中的气体进行取样，因此，每次实验的操作时间相对较长。利用这个通风或开放的环路，以及其中固态和液态的排泄物，卡尔·沃伊特和马克斯·冯·佩滕科费尔在他们在慕尼黑的实验室里，对呼吸的变化展开重要的研究工作。1862年，他们证实了所利用的氧气量是随着所消耗营养成分的性质而变化的。因此，控制呼吸率的并不是氧的供应量，而是食物中可被降解的营养成分的可利用性。这对那些过于强调氧在身体中的直接作用的人来说是一个有力的打击，并使人们更多地注意到身体的生理状况（健康、饥饿、休息）。[5]153

沃伊特和佩滕科费尔在改进呼吸作用仪器的同时，却忽视了量热器分析，动物热产物直接和间接测量的方法最后是由沃伊特的学生马克斯·鲁布纳（1854—1932）结合起来。鲁布纳指出，几乎没有必要再向科学界提出能量守恒也适用于生物学界这一观点。然而这一适用性不是凭猜测得出来的，仅鲁布纳在1889—1894年间进行的经典实验的大致测试，就使这一普遍的看法得到确定。鲁布纳将一个通风的呼吸仪器放在一个量热器内，于是形成一个呼吸量热器。这一仪器使研究者在记录呼吸气体变化的同时，直接测量其带出的热量;尿中的含氮废物也必须被收集，并计算它们的热值。鲁布纳花了大量的努力去纠正该仪器中的错误，以便如他所说能够控制与该研究有关的“所有的生物学因素”。他实验的设计和目标在19世纪90年代都不能不认为是创新的，使他获得成功的原因无疑是来自他的明确目的及行动的彻底性。[5]153

鲁布纳在呼吸作用仪器中测量了大、小狗的热产物，这些实验的目的是要研究“体内燃烧的物质所具有的能量与动物体表所释放出的热能在数量上是否一样”。他改变它们的食物（禁食、纯脂肪、肉和脂肪、肉），并记录接踵而来的呼吸关系的变化。在所有这些众多的实验中，鲁布纳只发现一种情况，即当用直接方法和间接方法测量同一动物的热产物时，其数值十分接近（见表1）[5]155。

事实上，在历时45天中的所有实验的总平均值中， 这一数值微小的变化在实验仪器的误差范围之内。鲁布纳宣称：“量热器（直接）方法测得的值只比从身体内营养物质降解燃烧所计算得到的值大0.47%。”这些数据非常圆满地完成了这些实验的目标。他总结道：“所有这些实验中没有一个任意选择的单独的数据能够使我们怀疑，在恒温动物中，热量的唯一来源就是营养物质中隐含能量的释放。”他认为，这一结论虽并不适用于其他动物，但也是一个绝对不可思议的假说。这样，鲁布纳的研究就明确证实了首先由迈耶和亥姆霍兹提出的生物体是一台热机器的断言。[5]155-156

实验生理学家威廉·贝利斯（1860—1924）在1913年写道：“有生命机体最振奋人心的特征，就是它们所显示出来的永恒的变化（或工作）状态。这种能力是因为拥有某种被称为能量的东西。”然而，能量是物理和化学过程的标记，而这些过程则正是实验生理学家所能研究的。他在自己的著作《普通生理学原理》中写道：“必须牢记，所有用于研究生命过程的方法都是物理的或化学的，因此，即使存在一种生物所特有的能量形式，我们也不必考虑它，除非它能被转换成等量的已知形式的化学或物理能量。”事实上，它总结了拉瓦锡关于生命是由缓慢燃烧维持的结论。生物并不是单独的存在，而是物质宇宙相互作用的基本元素。[5]156

（未完待续）