优化“空气有质量”实验方案

◇黄训君（四川：内江川南幼儿师范高等专科学校）

空气的性质是小学科学课程的一个重要内容。空气具有质量是空气的基本性质之一，但因一般条件下空气的质量很轻，难以观察，小学生在学习此知识时存在一定的困难，需要通过相应的实验现象来证明空气是有质量的。各版本的小学科学教材中都有“空气有质量”这一内容，并给出了实验方案，但在教学实践中我们发现，现有教材上的实验方案存在操作不方便、原理不严谨、现象不明显、数据难处理等问题，需进一步优化。

一、现有实验方案的不足

当前使用的各版本小学科学教材中对“空气有质量”实验的实验方案可以概括为“机械天平失衡法”和“电子天平称量法”两种，各自的不足之处如下。

（一）“机械天平失衡法”实验方案的不足

此方法的基本思路是在“天平”两端各挂一只充了气的气球，并使之平衡，然后放掉一个气球中的气，观察充气气球的一端往下坠，证明空气有质量。教科版、粤教版、人教版、苏教版教材中都有此方法。此实验方案取材容易，但存在以下的缺点。

1.实验操作比较困难

此实验的操作看似简单，实则有较多操作难点。如何让“天平”平稳，怎样给气球充气、打结和放气等都是难点。

由于气球本身和所充的空气都比较轻，为了使气球能够在杠杆上倾斜，此实验方案所用的“天平”大多是将一根杠杆用线悬挂起来做成的简易机械天平，因为用托盘天平无法测出两端气球中空气的质量，用螺钉和螺母固定的杠杆尺摩擦力太大，也容易导致实验失败。此简易天平的整体质量较轻、稳定性差，挂上气球后容易受到空气流动的影响，气球在上下左右各个方向都十分容易晃动。给气球和绳子打结时学生容易出现系不紧、打死结等问题，给气球放气时容易导致气球爆炸，实验成功率低，材料浪费大。

2.实验现象不够明显

由于实验中所用的天平模型过于简陋，没有用于指示平衡的装置，天平是否平衡没有参照标准，难以判断。有时杠杆仅会倾斜非常小的角度，实验现象不够明显，不方便学生观察。

3.实验原理不够严谨

气球本身较轻，不耐高压，所充的空气也较轻。而气球充气后体积明显增大，在空气中会受到较大的浮力。气球所受的浮力大小与其重力相比是不可忽略的，会对原实验中杠杆的平衡产生较大的影响，无法充分地证明杠杆倾斜与气球内气体质量的关系。已有案例记载了放掉一个气球中的气后天平仍然平衡，甚至放掉气的一端反而下降的情况。

（二）“电子天平称量法”实验方案的不足

此实验方案的基本思路是用电子天平测量某个容器内空气的质量。苏教版、青岛版、大象版、人教版等教材中采用了此方案。此实验方案能够定量研究空气的质量，能够让学生认识到，空气虽然很轻，但也是有质量的。此实验的方法和思路很好，现象直观，但现有实验方案存在以下不足。

1.未排除浮力的影响

原实验中所用的塑料小球在充气前后体积变化较大，同样未排除浮力的影响。

2.现象不够明显

现有实验方案都采用了塑料小球来作为装空气的容器，所用的小球体积较小，球内空气的压强不是很大，所装空气的质量很小。根据实验方案的数据和实际实验来看，充气前后空气的质量变化都在零点几克，实验数值差距不大，现象不够明显。

3.对电子天平的要求较高

由于现有实验方案中充气前后空气的质量差值都在零点几克，需要用到精度为0.1g 或0.01g 的高精度的电子天平，电子天平的精度越高，价格越贵，且量程往往越小。若要采用大球来装空气以增加球内空气的质量，则球的质量可能会超过电子天平的量程，造成测量不便。

4.学生处理数据有困难

由于现有实验方案中充气前后测得的质量差值都在零点几克，处理实验数据需要用到小数的加减法，然而学生在学习本课之前还没有学过小数，不能熟练地处理实验数据。

二、优化本实验的思路

综上所述，要克服上述实验方案的不足，笔者认为：可选择充气前后体积无明显变化的容器来排除浮力这一影响因素；使用耐压容器来装空气，往容器充装的空气要尽量多，使测出的气体质量尽可能大一些，使现象更为明显；实验中测的空气质量最好是整数，符合学生的数学基础，便于学生进行运算；尽量选用稳定性好、易操作、已准备的实验器材。

（一）用钢制储气瓶装压缩空气

用能够充装压缩气体，且充气前后体积不变的钢制储气瓶来代替现有实验方案中的体积有明显变化的气球和塑料小球。这样，既排除了浮力的影响，又能利用钢瓶耐高压的特性，尽可能地往储气瓶内加入更多的气体，增加瓶内空气的质量。本次实验中所用的钢制储气瓶是用体积为1L 的便携式氧气瓶和气门芯改装而成，用螺纹连接件将气门芯连接在钢瓶的瓶口处，瓶口密封好即可（如图1 所示）。改装好的气瓶自重513g，最大耐压2.1Mpa。

图1 可充气和放气的钢制储气瓶

（二）用托盘天平比较重量变化

用实验室的托盘天平代替了原来的自制简易机械天平，既可以避免自制简易天平容易出现的水平晃动、平衡无参照标准，以及转轴处的摩擦阻力太大等问题，又可以充分利用实验室配备的现成器材，降低实验成本和准备实验器材的工作量，使实验更便于操作，平衡有参照标准。

（三）用低精度电子天平去小数

在用钢瓶装压缩空气、增大测得的气体质量的基础上，选用精度为1g、量程为5kg 的电子天平来代替原实验中精度为0.01g、量程为200g 的电子天平。这样，测量值更明显，且测得数值为整数，使实验数据更易于处理，符合学生的数学基础。

三、优化后的实验方案

（一）实验1:用机械天平证明空气有质量

1.实验器材

托盘天平1台、可充气和放气的储气瓶2个、打气筒或小型气泵1个。

2.实验步骤

第1步，将托盘天平调平。

第2 步，将两个一样的储气瓶分别编号为1 号和2 号，贴上标签，按压气门芯检查两个储气瓶是否向外喷气，若有，则持续按压气门芯，直到不喷气为止。然后将两个储气瓶分别放到托盘天平的左右托盘上，观察天平的状态。

第3 步，用自行车轮胎的打气筒往1 号储气瓶中充入30 筒空气（也可用小型气泵充气至500Kpa）。

第4 步，将已充气的1 号储气瓶和未充气的2号储气瓶分别放到托盘天平的左右托盘上，再次观察天平的状态，比较充气和未充气储气瓶的重量。

第5 步，比较充入储气瓶内的空气和回形针的质量。往2 号储气瓶所在一端的托盘里放上一些回形针，直到天平重新平衡。用手感觉放入托盘的回形针质量，思考充气储气瓶内空气的质量和回形针的质量之间的关系。

3.实验现象与结论

给1 号储气瓶充气前观察到天平的指针位于分度盘的中线位置，天平处于平衡状态（如图2 所示），说明两个储气瓶的重量相等。给1 号储气瓶充气后再次比较两个储气瓶的质量，观察到充了气的1 号储气瓶所在的一端下降，天平指针偏向1 号储气瓶所在的一端（如图3 所示），1 号储气瓶充气后变重。以上现象说明空气是有质量的。往2 号储气瓶所在的托盘内放入回形针后天平重新平衡（如图4 所示），说明放入托盘的回形针的质量等于1号储气瓶内空气的质量。用手感觉回形针的质量很轻，说明空气质量很轻。

图2 充气前两储气瓶质量相等

图3 充气后的储气瓶变重

图4 加上回形针后天平平衡

（二）实验2：用电子天平测量空气的质量

1.实验器材

电子天平1 台（量程超过储气瓶充满气的质量即可，精度1g），储气瓶1 个，带压力表的自行车轮胎打气筒或小型气泵1个。

2.实验步骤

第1 步，打开电子天平的开关，按去皮（或归零）按钮。将储气瓶轻轻地放置在电子天平的托盘上。读出电子天平显示屏上的数字，并加上g 作为单位，测出储气瓶充气前的质量。

第2 步，用带压力表的打气筒（也可用小型气泵）往储气瓶内充气，当压力表显示压强为500Kpa（0.5Mpa）时停止充气，然后将储气瓶放在电子天平的托盘上称量，计算充气后储气瓶内增加的空气质量。

第3 步，按压储气瓶的气门芯，将充入储气瓶内的部分空气放出，然后再次称量，计算放气后储气瓶内减少的空气质量。

3.实验现象与结论

充气前测得储气瓶的质量为513 g（如图5 所示），充气后为518 g（如图6 所示），放出部分空气后为514g（如图7 所示），通过计算得知，充入储气瓶内的空气质量为5 g，放出的空气质量为4g，说明空气是有质量的。

图5 充气前储气瓶质量为513g

图6 充气后储气瓶内质量增加5g

图7 放气后储气瓶内质量减少4g

四、实验优化效果

本实验优化的关键点是用钢制储气瓶来装空气，优化后的实验有以下进步。

（一）消除了空气浮力的影响，实验原理更严谨

用钢制储气瓶代替了气球和塑料小球，充气前后储气瓶的体积不变，消除了原实验中会影响实验结果的浮力因素，实验原理更科学严谨。

（二）增加了容器内空气的质量，实验现象更明显

利用钢瓶的耐高压特性，可以往储气瓶内充入更多的气体，增加了瓶内的空气量，实验现象更加明显。此处需考虑瓶内气压变高后的安全问题，此实验中改装的储气瓶工作压力与容积的乘积小于1.0MPa/m3, 介质为空气，符合简单压力容器的标准，气门芯与钢瓶之间采用螺纹连接，在气压表监测下正确使用为安全。

（三）充分利用现成的实验器材，实验操作更便捷

在增加空气变化量的基础上，利用托盘天平代替了原自制简易天平，实验操作更简便，平衡更好判断，攻克了实验难点。

（四）消除了实验数据中的小数，符合学生的数学认知

在增加空气变化量的基础上，用大量程和低精度的电子天平代替了原实验中小量程高精度的电子天平；尽量增加测得的空气质量，去除学生还不会计算的小数，使实验数据与学生的数学认知相符。