微粒运动改进实验的探索与反思

■王剑锋

一、发现实验问题

在多年的教学实践中，笔者发现，采用沪教版初中化学教材中的实验装置（图1）探究微粒的运动性时，是存在一些问题的：

图1 化学教材中的实验装置

1.氨水的使用量偏多，既造成浪费，又污染空气。浓烈的氨水气味会给师生带来生理上的不适，不符合绿色化学的理念。

2.由于生产厂家不同，容量同样是1000ml的大烧杯，其高低、直径都有可能不同，不一定能罩住两个小烧杯，造成器材准备上的重复工作，浪费时间和精力。

3.盛有酚酞和蒸馏水的烧杯中，与空气接触的液面先变红，现象不明显，而且液体全部变红需要时间。由于小烧杯被大烧杯罩住，操作者不能用玻璃棒搅拌液体或者拿起烧杯振荡液体。

4.受实验装置限制，只有班级前排的几个学生能够清楚地观察到实验现象。

5.这套装置只适合做教学中的演示实验，无法进一步探究温度对微粒运动的影响。

二、进行探索反思

基于上述问题，笔者觉得很有必要对该实验方案进行改进。在一道探究微粒运动的化学实验题中，笔者发现了一个改进装置（图2），似乎可以解决教材实验中存在的一些问题：1.用试管代替烧杯，可以进行液体振荡操作；2.在一个封闭的体系中进行实验，氨气不会外泄；3.可以进一步探究温度对微粒运动的影响。

图2 化学习题中的改进装置

为了探索改良方案，笔者使用三套实验装置进行了对比实验。第1套为教材上的实验装置，第2套为化学习题中的改进装置。考虑到第2套装置中的弯导气管的折弯处过于狭窄，可能会影响微粒通过，笔者设计了第3套装置：将第2套装置中的试管改为相同容积的具支试管，将单孔橡皮塞改为橡皮塞。在三组实验中，酚酞的用量和氨气浓度都保持一致，具体实验效果为：在装置1中，盛酚酞试液的烧杯中的液面马上变色，1min内全部液体变色明显；在装置2中，盛酚酞试液的试管中的液面10min左右开始变色，15min后全部液体变色明显；在装置3中，盛酚酞试液的试管中的液面5min左右开始变色，8min后变色明显。

从实验效果来看，装置1反而最适合课堂演示，而装置2、3都不适合。从能否探究温度对微粒运动的影响的角度来看，装置1是不适合的，装置2、3则是可以的，但会出现橡皮塞弹出来的意外情况。实验结果令原本的期望完全落空，笔者就此进行了反思：从课程的层面来看，教材中的实验装置虽然有不少缺点，但它是经过很多一线教师实践的，并由专家筛选出来的经典方案，具有较强的可操作性和示范性；但这也并不意味着一线教师不能对教材中的实验方案或装置进行改进。从实验的层面来看，教材中的方案是“败也烧杯，成也烧杯”。小烧杯的高度比较低（h=6cm），从浓氨水的液面到酚酞和蒸馏水的液面，氨分子运动的距离最短，所以烧杯内的酚酞试液变红的时间也最短。因为小烧杯(d=6cm)中的液体与空气的接触面较大，即在同一时间内，有较多的氨分子可以到达酚酞和蒸馏水的液面，所以酚酞试液变色明显。在改进方案中，酚酞试液变色主要受以下因素影响：试管（d=2cm）中的液体药品与空气的接触面小，在同一时间内，扩散到空气中的氨分子数量相对较少；导气管较狭窄，影响微粒的通过；试管（h=19cm）相对较高，氨分子的运动距离较长。其中后两点因素影响较大，所以方案2中，酚酞试液变色的时间最长。另外，改进方案中的试管容积小、密封性好，当温度过高，试管内的气体压强超过大气压时，橡皮塞就被弹了出来。

三、改进实验方案

对三套实验装置的优缺点进行反思后，笔者开始着手寻找“最佳”容器。最终，笔者把目光锁定在生活中常见的饮料瓶上，将其从横竖两个方向进行连接，制作实验装置，探索改进实验的方案。

横向一：尾对尾连接

原料器材：底部带有螺旋纹的矿泉水瓶（350ml和500ml）各两个，棉花团4个，滴管，镊子，剪刀。

制作方法：剪去两个相同容量的水瓶的底部，将其尾对尾连接。由于水瓶的下半部分是螺旋纹，剪去底部的两个瓶子正好可以卡住，形成一个整体。

实验步骤：1.用镊子将滴有一滴管酚酞和蒸馏水混合液的棉花团从一个水瓶口放入水瓶中；2.用镊子将滴有一滴管浓氨水的棉花团从另一个水瓶口放入水瓶中；3.旋紧瓶盖，观察现象。

实验效果：水瓶中的棉花团在相距7cm时，酚酞立刻变色；在相距30cm时，酚酞1min左右开始变色。

装置优点：制作简单；操作简单；节约药品；可以调节棉花团之间的距离；白色的棉花团令实验现象较为明显。

横向二：口对口连接

原料器材：可乐瓶（500ml）或与之口径相同的饮料瓶两个，针头注射器（或滴管）两个，直径1寸的透明胶皮管，剪刀。

制作方法：剪一段胶皮管（约两个瓶盖高），用其将两个横向相对的可乐瓶的瓶口连接起来（可用微量洗洁精润滑）。然后，将注射器的针头分别扎在两个可乐瓶的突起部位。（可乐瓶的上半部和下半部都有突起处，横放时，突起处可盛放不超过15ml的液体药品。）

实验步骤：1.用注射器吸取10ml酚酞和蒸馏水的混合液，注入瓶内突起处；2.用注射器吸取5ml浓氨水，注入突起处；3.要探究温度对微粒运动的影响，就在浓氨水处放一杯热水，并观察现象。

实验效果：两个注射器针头之间的距离为40cm时，8min后，酚酞变色明显；放置热水1min后，酚酞变色明显。

装置优点：制作简单；操作简单；可以控制液体药品的量；可以探究温度对微粒运动的影响。

竖向：尾对尾连接

将横向一方案中尾部连接的水瓶竖向摆放。

实验步骤：1.将滴有酚酞和蒸馏水混合液的棉花团或吸水纸用瓶盖固定在上瓶的瓶口处；2.用滴管或镊子将浓氨水或蘸有浓氨水的棉花团滴入或放入下瓶的瓶盖中，旋紧瓶盖；3.固定装置，观察现象。

实验效果：当上瓶的瓶口处固定了一个蘸有酚酞和蒸馏水混合液的棉花球，下瓶的瓶盖中放置带有一滴浓氨水的棉花球，两者距离约为40cm时，1min左右，酚酞变色明显；当上瓶的瓶口处固定了一个蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶盖中放了一个装有3滴管浓氨水的小试管，两者距离约为40cm时，1min左右，酚酞变色明显；当上瓶的瓶口处固定了一个蘸有混合液的棉花球，下瓶的瓶盖中滴加了3滴浓氨水，两者距离约为40cm时，1min左右，酚酞变色明显；当上瓶的瓶口处固定了一个滴有混合液的餐巾纸条（等距离滴几个点），下瓶的瓶盖中滴加了2滴浓氨水，纸条与瓶盖之间的距离约为20cm时，1min后，纸条上的各点逐渐变红。

装置优点：与横向装置相比，竖向装置有更多的选择，如可以在上瓶的瓶口处放棉花、纸条、纸花等，在下瓶的瓶盖中可以放棉花或小试管等玻璃容器，也可以直接把瓶盖作为盛放药品的容器；药品使用量非常少；实验效果比较明显；实现了化学实验的绿色化。

在此次实验改进活动中，笔者经过反复探索和钻研，最终设计出多种实验方案。改进后的方案既能充分证明微粒是不断运动的，又能进一步探究温度对微粒运动的影响；既可以用于教师的演示实验，又可以用于学生的操作实验。同时，实验方案也实现了绿色化、生活化、趣味化的有效融合。笔者认识到，只有通过实践，我们才能发现实验方案的不足，才能找到解决方法，才能设计出更优质的实验方案。