“测定某种食物中的能量”实验改进创新

陈世通 孙西江

山东省临沂沂堂中学(277721)

生物是一门以实验为基础的自然科学,“测定某种食物中的能量”是人教版初中生物学七年级下册第4单元第2章第1节中的一个探究实验。实验通过测量食物燃烧放出热能的多少来测定食物中的能量,让学生对食物中会有能量的概念形成直观认识,同时掌握测定能量的方法。

1 教材实验的不足

在实际操作过程中,笔者发现如果按照教材提供的实验装置进行实验,测得每克花生种子所含能量是7 450 J,与人教版教材附表中提供的每克花生的能量是12 470 J,差值较大。笔者认为教材实验存在以下几个问题:

(1)在教材实验中,30 mL水在锥形瓶中的水位很低,温度计的玻璃泡不能完全浸没在水中,测量的温度不准确。

(2)教材中选择盛水的容器是锥形瓶,但是锥形瓶必须要隔着石棉网才能加热。因石棉网会吸收一部分热量,食物中的能量不能充分转化成水的热能,造成能量散失较多,影响实验的准确性[1]。

(3)在教材实验中,锥形瓶口是开放的,没有用橡胶塞堵住锥形瓶的瓶口,致使食物燃烧放出的热量散失太多。

(4)教材提供的实验装置没有设计隔热保温装置,点燃的花生种子在开放的环境中燃烧,释放的热量散失在空气中。

(5)根据教材提供的实验方法,花生种子在点燃时,以及迅速拿到锥形瓶底部的过程中有热量散失。

(6)花生种子燃烧不充分,热量散失也比较多。

(7)教材中的实验装置下没有铺设防火星溅落设备,花生的燃烧物很容易掉落下来,烧坏实验台。

(8)花生种子小,用解剖针穿着花生燃烧,不便于固定,容易脱落。手拿解剖针容易抖动,会造成加热气流不稳定。

2 实验器材

花生种子、电子天平、量筒、试管、小刀、剪刀、烧杯、胶头滴管、铁架台、温度计、火柴、易拉罐、纸质茶叶盒、单孔橡胶塞、食物燃烧架。

3 实验改进

(1)本次实验选用100 mL的大试管代替锥形瓶作为盛水容器,由于试管可以直接在火焰上加热,这就避免了石棉网的使用,减少了热量损失。

(2)教材中介绍的30 mL实验用水用量过少,经过多次实践,水量宜控制在 50 mL左右,测量的温度更加准确。

(3)教材中的锥形瓶瓶口是敞开的,食物燃烧放出的热量损失较多。本实验改成用带有温度计的单孔橡胶塞塞住试管口,这样花生燃烧释放的热量能被水充分吸收,大大减少了热量散失,同时也能将温度计固定在水层合适位置,使实验操作更简单,水温变化非常明显,测量温度更准确。

(4)教材中点燃的花生种子在开放的环境下直接燃烧,再迅速移到锥形瓶下,此过程热量散失较多。本实验将花生种子放在易拉罐制作的燃烧室中点燃,花生种子在相对有限的空间内燃烧,减少了热量的散失。

(5)为了使花生充分燃烧,选择干燥的花生种子作为实验材料。在实验前将花生种子切成薄片,增大其与空气的接触面积,有利于花生种子在加热装置内充分燃烧。

(6)制作食物燃烧架。用钉子作为燃烧架固定花生种子,体型小巧,承重后仍然稳定。在燃烧架上点燃花生,避免了手拿解剖针出现的晃动,火焰始终位于试管底的中央,周围气流稳定,花生种子能安静地燃烧,保证了花生种子燃烧完全,减少了热量损失,实验效果更好。

基于以上改进,笔者创新设计了实验改进装置——能量测定器(如图1所示),以便减少花生种子燃烧过程中能量的散失。

图1 能量测定器

铝制易拉罐容易获取,裁剪方便,并且不易燃烧,因此本实验选用铝制易拉罐制作燃烧室。首先,用剪刀把易拉罐顶部的易拉环剪掉,剪出一个与试管直径大小相同的圆孔,再把试管放入易拉罐中,使试管底部和易拉罐底部保持适当的距离。在易拉罐靠下位置裁剪出一个长方形的炉门,在罐体上扎出一些小孔,以便为花生种子的燃烧提供充足氧气。花生种子在易拉罐围起来的空间内燃烧,带火星的灰烬掉落在燃烧室内,不会烧坏实验台,便于回收。但是金属导热性强,易拉罐会向四周散失大量热量。因此,本实验还需要在易拉罐外面加一层隔热保温装置,以避免热量散失。纸的热导率低,便于裁剪,安全性较高,因此,纸质材料适合制作隔热保温装置,本实验利用废弃的茶叶盒作为隔热装置。先在茶叶盒的顶部按照试管的口径剪一个圆孔,把易拉罐包围起来。再在茶叶盒口剪一个梯形的孔,作为燃烧时的通风孔,使花生种子燃烧完全。在茶叶盒侧面扎出部分小孔,为花生种子充分燃烧提供足够的氧气。在茶叶盒的下侧剪一个与易拉罐上的炉门大小相同的缺口,与炉门对应。有了隔热保温装置,花生燃烧放出的热量损失很小,同时降低了实验的危险性。最后,用铁夹把装置固定在铁架台上。

4 实验方法

(1)用电子天平称量一粒干花生种子的质量,之后将花生种子切成薄片。

(2)用量筒量取50 mL水,倒入100 mL的大试管中,塞紧单孔橡胶塞。

(3)将温度计插入单孔橡胶塞中,调整温度计的高度,使水浸没温度计的玻璃泡,但温度计下端不能接触大试管底部。再把大试管放入易拉罐中,用茶叶盒把易拉罐包围起来,如图1所示安装好实验装置。

(4)测定水温,记录水的初始温度t1。

(5)将切成片的花生种子穿在食物燃烧架上,在燃烧室里用火柴直接点燃。待花生种子完全燃烧后,记录大试管内水的最高温度t2。

(6)重复步骤(4)和(5)3次,做好数据记录。

在常态下,1 mL 水升高 1 ℃,需要吸收4.2 J热量,因此花生种子燃烧释放能量的计算公式为: 释放能量=水量×温差×4.2 J。将各个实验数据记录在表1中,重复3次实验,计算出每次花生种子燃烧释放的能量,取平均值的减小误差。每克花生种子所含能量=释放能量÷花生质量。水吸收的能量越接近花生燃烧释放的总能量,说明实验效果越好[2]。

表1 花生能量测定实验数据记录表

5 结果与分析

本实验重复3次,实验数据见表1,计算出平均值作为花生释放的能量。

之前笔者完全按照教材中的实验步骤进行操作,测得每克花生含有的能量是7 450 J,相比教材附表提供的每克花生的真实能量12 470 J,误差大约是5 020 J。现采用改进后的实验装置重新操作,根据表1实验数据可知,测定的每克干花生含有11 740.8 J的能量,花生能量的测定值相比之前成倍增加,已经很接近教材提供的花生能量。这证明了本实验的改进装置“能量测定器”可以有效减少热量的散失,实验结果更加准确。