指向衔接九年级化学的“气体的压强”补充实验教学

摘 要：在现行多版本八年级物理教材中，“气体压强”与温度、密度变化关系，或不作要求，或一带而过，然而却在九年级化学的学习中被频繁使用.针对这种学科间知识脱节现象，亟需教师探索一套用于补充教学的创新实验方案.

关键词：衔接;气体压强;实验教学

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）24-0037-03

作者简介：叶鸣扬（1990- ），男，江苏南京人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学、实验创新、学科融合.

1 问题背景——化学教师反映教学存在困难

在九年级化学教学过程中，许多现象分析、结论得出都要用到物理知识.这些物理知识并不会在化学教材中详细说明，而是直接运用.据化学教师反映，多数学生对需要用到的物理知识存在掌握不牢、一知半解甚至毫无印象的状况.显然这些学生存在同学段学科间知识脱节问题，而这一问题在“气体的压强”教学上尤为突出.

1.1 密闭空间内的气压随温度的升高而增大——学生对这一规律缺乏认识

如图1所示的化学实验：检查装置的气密性.用手緊握试管，如水中导管口有气泡冒出，说明装置不漏气.针对这一方法，教材并未解释其物理原理，只是在正文中以括号的形式加入夹注“（为什么？）”.显然，教材编写者认为，刚上九年级的学生已经掌握相关物理知识，无需教材解释，学生可以回答.

笔者随机询问部分学生“为什么？”，很少有学生能联系气压与温度的关系这部分知识.而要用到这一关系分析的问题还有很多.再如图2所示实验：制取氧气.氧气制取结束后，应当先取出水槽中的导管，后熄灭酒精灯.如果步骤颠倒，则会导致水被倒吸入试管，引起试管骤然遇冷而炸裂.学生对产生上述后果的原因的理解状况同样不理想.

1.2 密闭空间内的气压随密度的增大而增大——学生对这一规律缺乏认识

如图3所示的化学实验：测量空气中氧气含量.打开弹簧夹之前，盛满空气的集气瓶处于密闭状态（局部有少量水）.红磷燃尽瓶内氧气并充分冷却后，打开弹簧夹，烧杯中的水会被“吸”入集气瓶，直至瓶中水平面上升至容积1/5.

笔者与学生交流后发现，学生普遍可以说出水被“吸”入集气瓶的原因是瓶内气压小于外界大气压，水是被大气压压入集气瓶.但被问及：瓶内气压为何会变小时，多数学生不能联系气压与密度关系.

类似问题还存在于“二氧化碳的溶解性”实验，如图4所示.向集满二氧化碳的软质塑料瓶中倒入体积约为1/3的水，教材要求学生根据塑料瓶慢慢变扁的现象分析原因.

2 反思困难根源，设计衔接教学

以苏科版初中物理教材为例，苏科版物理《教师教学用书》对“§10.3气体的压强”一节提出如下教学目标：

（1）通过实验，感受大气压的存在;

（2）知道测量大气压强的方法，学会估计大气压的数值;

（3）通过实验，了解流体压强与流速的关系及其在生活中的应用，能简单解释飞机如何获得升力;

（4）通过观察和探究，养成关注周围现象的意识，掌握研究未知问题的方法.

教学目标和教材主要围绕“大气压”进行设计，并提到气压与流速、海拔和空气湿度有关，但没有涉及密闭空间内气压与温度、密度的关系.此处物理教学目标和化学学习需求之间存在明显脱节，这是造成很多学生在初学化学时感到困难的重要原因之一.

笔者经研究发现，人教版、教科版等义务教育阶段物理教材，都没有对密闭空间内气压与温度、密度的关系进行详细探究与总结.

因此，笔者在“气体的压强”教学中，加入创新实验“初探影响密闭空间内气体压强大小的因素”，尝试填充这一空白.补充实验设置如下教学目标：

（1）通过实验探究，知道密闭空间内气体压强不一定等于大气压;

（2）通过实验探究，知道密闭空间内气体压强随温度升高而增大;

（3）通过实验探究，知道密闭空间内气体压强随密度增大而增大;

（4）运用探究得出的结论，解释教材中一些实验现象背后的原理.

3 补充部分教学过程——初探影响密闭空间气体压强大小的因素

3.1 第一环节（对应教学目标1）

教师举起敞口空矿泉水瓶，向学生提问：瓶内的气压是不是大气压？学生易答：是.通过逐层深入追问，让学生理解，当某部分气体与外界大气联通且达到稳定状态时，它的气压就是大气压.

如图5所示，教师用橡皮膜、橡皮筋将瓶口封死，再问：此时瓶内气压是否还是大气压？气压值是否等于大气压？你又是如何得出结论？通过该组问题串，让学生理解，密闭空间气体与大气隔绝，不能称为大气压;但此时内部气压仍然等于大气压，可以通过“橡皮膜表面平整”这一现象推知.

教师用力捏瓶子，引导学生发现橡皮膜外凸，提问：此时瓶内气压是否还等于大气压？你是如何得出？学生不难回答：橡皮膜外凸，受压后瓶内气压大于外界大气压.

教师请学生根据生活经验猜测，密闭空间的气压大小可能与哪些因素有关.学生会猜测：温度、密度、体积等因素.

3.2 第二环节（对应教学目标2）

教师连接图6装置.U形管是学生在学习液体压强时已经熟悉的器材.笔者这里改用U形管两侧液面高度差反映密闭空间内气体压强大小变化，学生更容易接受.

起初用弹簧夹封住橡皮管，此时试管至弹簧夹一段气体可以视作密闭空间内气体.效仿化学实验“检查装置气密性”，采用手捂的方式对试管内气体进行加热.教师手捂试管10秒后，打开弹簧夹，发现U形管与试管相连的一侧，液面变低（如图7所示）.这说明之前密闭空间内气压增大.

引导学生得出定性结论：密闭空间内气体压强随温度升高而增大.

3.3 第三环节（对应教学目标3）

如图8所示，将试管和玻璃导管更换为胶头滴管，夹紧弹簧夹，此时胶头滴管至弹簧夹一段气体可以视作密闭空间内气体.为防止手的温度改变胶头滴管内气体温度，我们将胶头滴管固定在另一铁架台上，通过旋转螺丝挤压胶头，改变密闭空间气体体积、密度.

挤压胶头后，再次打开弹簧夹，发现U形管中与滴管相连一侧，液面变低（如图9所示）.这再次说明之前密闭空间内气体气压增大.

进而引导学生得出定性结论：密闭空间内气体压强随密度增大而增大.教师提示，改变密度不仅可以通过改变体积实现，还可以通过改变质量实现.

3.4 第四环节（对应教学目标4）

回顾本节引入实验：体验大气压的存在（如图10所示）.请学生根据所得结论解释现象.

瓶口刚塞上橡皮泥的瞬间，内外气压近似相等.随着冷却过程推进，罐内温度降低，罐内大量水蒸气发生液化，导致罐内气体温度和密度均降低，所以罐内气压降低.而外界大气压不变，故易拉罐被压瘪.

教师还可以让学生解释“生活·物理·社会”中“冷水助沸”问题（如图11所示）.

烧瓶中水被加热至沸腾后，停止加热，堵住瓶口，将烧瓶倒置.向瓶底浇适量冷水后会发现瓶内的水重新沸腾.这是因为瓶内大量水蒸气遇冷迅速液化，瓶内气体密度降低，气压下降，水的沸点也降低.当水的沸点低于水的温度时，即可重新沸腾.

4 小结

本实验理论依据如下：由理想气体状态方程pV=nRT可推知p=nVRT，其中p为气体压强、V为气体体积、T为热力学温度、R为理想气体常量8.31J/（mol·K）、n为气体物质的量.若气体质量为m，摩尔质量为μ，由n=mμ又可推出p=1μ·mVRT=RμρT.可见，在气体种类确定情况下，密闭空间内气體压强随密度增大而增大，随温度升高而增大.由于无法对八年级学生进行上述推导教学，故本实验仅需得出初步定性结论即可.

作为教师，我们既不能只教教材，也不应局限在本学科“考试范围”内各自为战，而应该着眼于培养学生综合素质与促进学生长远发展，不仅要知道学生眼下需要什么，还要注重学生在将来发展过程中可能会需要什么.正是在这种思想指导下，本实验被引入课堂，既可以让新课实验现象得到解释，又能让学生知识体系更加完善，以便为学生今后化学学习做好衔接准备.

参考文献：

[1]李燕妙.大气压强系列实验的改进与创新[J].中学物理，2020，38（18）：37-39.

[2]费志明.基于思维品质的“大气压强”教学设计[J].物理教学探讨，2020，38（09）：32-35.

[3]钱晓东.以情境促真实体验 以感知助概念建构——以“气体的压强”教学为例[J].中学物理教学参考，2020，49（30）：39.

[4]丁忆凡.多维实验课堂 玩转规律教学——以“气体压强2”一课为例[J].新课程（中学）， 2018（09）：72.

[5]唐成晨.五版本初中物理《大气压强》对比分析及教学启示[J].理科考试研究，2019，26（18）： 39-43.

（收稿日期：2021-07-17）