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測定食物中的能量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
作者：王艷霞
實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器 2015年05期
在人教版七年級生物教材下冊第21頁有一個(gè)“測定某種食物中的能量”的探究實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)主要探究食物中含有多少能量。
在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問題：一是30 mL水在錐形瓶中的水位很低，溫度計(jì)的玻璃泡不能完全浸沒于水中，測量的數(shù)據(jù)不精確；二是30 mL水吸熱能力差；三是錐形瓶下墊有石棉網(wǎng)，石棉網(wǎng)會阻止熱量的傳遞；四是教材中提供的實(shí)驗(yàn)裝置沒有隔熱裝置，熱量損失太多。
針對以上問題，筆者通過反復(fù)探究實(shí)驗(yàn)，對測定食物中的能量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下改進(jìn)。
一、實(shí)驗(yàn)器材
18號細(xì)鐵絲、鉗子、石棉網(wǎng)、紙杯、剪刀、單孔橡膠塞、溫度計(jì)、錐形瓶、100mL量筒、火柴、酒精燈、解剖針、天平、花生種子。
二、實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)說明
1.制作簡易三腳架。將3根長20 cm的18號細(xì)鐵絲分成7:6:7三部分，用鉗子彎成形，兩兩組合，將豎直部分用鉗子擰成麻花狀，做三腳架的3個(gè)足，再把頂部整理成圓形即可。三腳架在實(shí)驗(yàn)中作為錐形瓶的固定裝置，這樣就不用試管夾來固定錐形瓶了。
2.制作燃燒支架。用3根極細(xì)的鐵絲擰成如圖2所示的形狀，放在三腳架上，作為放置解剖針的支架。
3.制作隔熱裝置。把紙杯的底部用解剖針扎上密集的小孔，按照錐形瓶的口徑大小在紙杯底部剪一個(gè)圓孔，再在紙杯口部剪一個(gè)梯形的孔，這些孔就是燃燒時(shí)的通風(fēng)孔。
4.水的體積由30 mL改為100 mL。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1.組裝儀器。
2.將溫度計(jì)插入單孔橡膠塞中，用量筒量取100mL水，倒入錐形瓶中，塞緊橡膠塞，調(diào)整溫度計(jì)，讓它的玻璃泡位于水中。
3.將錐形瓶直接放在三腳架上，將紙杯罩在錐形瓶外。
4.用托盤天平稱量一粒種子的質(zhì)量，記錄下來。
5.記錄水的初始溫度。
6.用酒精燈加熱點(diǎn)燃種子，并迅速放在錐形瓶下方。
7.待種子燃盡，記錄水的最高溫度。
8.將各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。
說明：為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性，實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，計(jì)算3次結(jié)果的平均值。
五、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)
1.三腳架的優(yōu)點(diǎn)。
（1）制作簡單，學(xué)生人人可參與，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性、實(shí)踐性。經(jīng)過多次試驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)18號鐵絲軟硬適中，用鉗子很容易剪切、加工，制作過程充滿了樂趣，學(xué)生參與積極。
（2）當(dāng)它承重達(dá)到1000 g時(shí)仍然很穩(wěn)定，三腳架并沒有搖晃和變形。經(jīng)測量100 mL的錐形瓶質(zhì)量平均在50 g左右，加上100 mL水（100 g）后，總質(zhì)量在150 g左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于三腳架的承受能力。這種三腳架體型小巧，紙杯可以很容易罩在外面。制作成功后可以反復(fù)使用。
2.燃燒支架的優(yōu)點(diǎn)。
（1）保證種子完全燃燒。在燃燒種子時(shí)，如果想讓種子的能量完全釋放出來，就要讓種子完全燃燒。能量釋放的越完全，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就越接近科學(xué)數(shù)據(jù)。把燃燒的種子放在燃燒支架上，周圍氣流穩(wěn)定，種子能安靜地燃燒，種子的熱量釋放完全，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠。
（2）保證火焰穩(wěn)定。在給物質(zhì)加熱時(shí)，應(yīng)用外焰加熱。把燃燒的種子擱置在燃燒支架上，不僅保證了用外焰加熱，而且保證了火焰的穩(wěn)定性，且解剖針不會出現(xiàn)晃動的情況，減少了熱量的損失，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。把燃燒的種子固定在支架上，火焰始終位于錐形瓶底的中央部位，不會偏離中心而引燃紙杯。
3.隔熱裝置的優(yōu)點(diǎn)。
（1）材料易得。學(xué)生喝完飲料后的飲料杯、豆?jié){杯稍加清洗即可再次使用。此外，收集紙杯還能激發(fā)學(xué)生參與探究實(shí)驗(yàn)的興趣。
（2）容易加工、處理。與易拉罐相比，紙杯用剪刀和解剖針處理起來更容易，實(shí)驗(yàn)的安全性好。
（3）吸熱、散熱少。紙是熱的不良導(dǎo)體，紙杯吸熱和散熱能力差，用紙杯做隔熱裝置能減少熱量的損失。
4.水的體積由30 mL增加至100 mL。
（1）吸熱更多。一般的一顆花生仁重0.9～1g，經(jīng)查閱課本可知，1 g花生種子蘊(yùn)含的能量為12470 J，可以使30 mL水的溫度凈升高98.97℃。這些能量足可使30 mL水由常溫升高到100℃以上。在常溫常壓下溫度達(dá)到100℃水就會沸騰，水沸騰后雖然能繼續(xù)吸熱，但是溫度不會再升高，因此，溫度計(jì)就無法測出超出部分的溫度，也就無法計(jì)算出水沸騰以后所吸收的熱量，使測量數(shù)據(jù)誤差增大，測量數(shù)據(jù)失去科學(xué)性。而將水的體積由30mL改成100 mL，可以吸收更多的熱量，減少熱量損失，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。
（2）科學(xué)性增強(qiáng)。把水的體積由30 mL改成100 mL后，水位較高，溫度計(jì)的玻璃泡始終位于水中，不會與錐形瓶底接觸，讀數(shù)準(zhǔn)確，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性。
5.除去石棉網(wǎng)。
在教材裝置中的錐形瓶下方墊有石棉網(wǎng)，用來保證錐形瓶均勻受熱，筆者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究證實(shí)石棉網(wǎng)的阻熱能力很強(qiáng)，大約可以使熱量損失高達(dá)30%。因?yàn)橐活w花生燃燒釋放的熱量只有10 kJ左右，這些熱量不會使錐形瓶炸裂，所以筆者在該實(shí)驗(yàn)中去除了石棉網(wǎng)，以減少熱量的損失，減少實(shí)驗(yàn)誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信。
六、實(shí)驗(yàn)反思
1.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡單，組裝容易，且裝置更加穩(wěn)固。
2.實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)，便于學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。
3.減少了能量損失，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。
4.利用該裝置得到的數(shù)據(jù)與教材提供的數(shù)據(jù)比較接近，但是仍有差距。針對學(xué)生的質(zhì)疑，根據(jù)初一學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，教師要讓學(xué)生了解，種子燃燒時(shí)產(chǎn)生的黑煙和在燃燒后殘留的灰燼中都蘊(yùn)含能量，這是產(chǎn)生誤差的原因。怎樣促進(jìn)食物完全燃燒，怎樣進(jìn)一步減少實(shí)驗(yàn)過程中能量的損失，是筆者下一步的研究方向。
作者介紹：王艷霞，山東省冠縣清泉街道辦事處中學(xué)（252500）。
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