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6. 新趋势 项目式学习 某同学发现,在实验室做“铁丝在氧气中燃烧”的实验时,有些同学的实验现象不明显。围绕这一现象,在老师的指导下,同学们进行了一系列的探究活动:
活动一:探究铁丝缠绕成螺旋状的作用
【实验内容】取3根材质、大小相同的铁丝,Ⅰ拉直,另两根绕成宽窄不同的螺旋状,Ⅱ上下较宽,Ⅲ上下较窄,进行如图甲所示实验。
【实验现象】铁丝均能燃烧,剧烈程度不同,Ⅰ最弱,Ⅲ最剧烈。
【实验分析】(1) 铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状
【实验结论】(2) 将铁丝缠绕成螺旋状的作用是
活动二:探究铁丝燃烧产生火星四射的原因
【查阅资料】日常生活中的铁制品都含有少量的碳杂质。
【实验内容】取长短相同、直径均为0.38 mm、含碳量不同的4根铁丝分别在足量的氧气中燃烧。
【实验现象】
【实验分析】(3) 推测表中“未记录”部分的现象可能是
(4) 所用的集气瓶底部都要放少量水或细沙,原因是
【实验结论】(5) 通过以上实验,说明铁丝燃烧产生火星四射的现象,可能与
【反思与评价】
(6) 如图乙所示为同学们进行“铁丝在氧气中燃烧”实验时的铁丝末端系火柴的几种操作方式,伸入集气瓶的最佳时间是
(7) 同学们认为铁丝燃烧的现象还与氧气的浓度有关,所以想收集不同浓度的氧气进行相关实验,若用排水法收集一瓶体积分数为 60%的氧气,应预先向 250 mL 的集气瓶中加水,水的体积约为
活动一:探究铁丝缠绕成螺旋状的作用
【实验内容】取3根材质、大小相同的铁丝,Ⅰ拉直,另两根绕成宽窄不同的螺旋状,Ⅱ上下较宽,Ⅲ上下较窄,进行如图甲所示实验。
【实验现象】铁丝均能燃烧,剧烈程度不同,Ⅰ最弱,Ⅲ最剧烈。
【实验分析】(1) 铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状
无
（填“有”或“无”）关。【实验结论】(2) 将铁丝缠绕成螺旋状的作用是
增大铁丝受热面积,有利于铁丝持续燃烧（合理答案均可）
。活动二:探究铁丝燃烧产生火星四射的原因
【查阅资料】日常生活中的铁制品都含有少量的碳杂质。
【实验内容】取长短相同、直径均为0.38 mm、含碳量不同的4根铁丝分别在足量的氧气中燃烧。
【实验现象】
【实验分析】(3) 推测表中“未记录”部分的现象可能是
剧烈燃烧、火星四射
。(4) 所用的集气瓶底部都要放少量水或细沙,原因是
防止溅落的熔融物使瓶底炸裂
。【实验结论】(5) 通过以上实验,说明铁丝燃烧产生火星四射的现象,可能与
含碳量
有关。【反思与评价】
(6) 如图乙所示为同学们进行“铁丝在氧气中燃烧”实验时的铁丝末端系火柴的几种操作方式,伸入集气瓶的最佳时间是
火柴即将燃尽时
；其中更能提高实验成功率的方式是A
（填字母）。(7) 同学们认为铁丝燃烧的现象还与氧气的浓度有关,所以想收集不同浓度的氧气进行相关实验,若用排水法收集一瓶体积分数为 60%的氧气,应预先向 250 mL 的集气瓶中加水,水的体积约为
125
mL。（按空气中氧气的体积分数约为 20%计算）答案
(1) 无 (2) 增大铁丝受热面积,有利于铁丝持续燃烧（合理答案均可） (3) 剧烈燃烧、火星四射 (4) 防止溅落的熔融物使瓶底炸裂 (5) 含碳量 (6) 火柴即将燃尽时 A (7) 125
〔解析〕(1) 根据实验现象:铁丝均能燃烧,说明铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状无关。(2) 将铁丝绕成螺旋状,能增大铁丝的受热面积,可以使燃烧更剧烈、持续时间更长。(3) 根据表格分析,随着铁丝中含碳量的升高,铁丝燃烧越剧烈,火星越多,则含碳0.6%的铁丝燃烧现象可能是剧烈燃烧,火星四射。(4) 细铁丝在氧气中燃烧放出大量的热,生成物的温度较高,集气瓶内放少量水或细沙的目的是防止反应生成的固体熔融物溅落瓶底,致使集气瓶炸裂。(5) 通过以上实验,可知铁丝燃烧时产生火星四射的现象与碳元素的含量有关,含碳量越高,燃烧越剧烈。(6) 伸入集气瓶的最佳时间是火柴即将燃尽时,能减少氧气消耗,实验现象更明显;火柴向下点燃,能使铁丝充分受热,且氧气密度比空气大,在下方浓度高,更易点燃,故选A。(7) 设水的体积约为x,则有$x+(250\ \mathrm{mL}-x)×\frac{1}{5}=250\ \mathrm{mL}×60\%$,解得$x=125\ \mathrm{mL}$,即预先应向250 mL的集气瓶中加水,水的体积约为125 mL。
〔解析〕(1) 根据实验现象:铁丝均能燃烧,说明铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状无关。(2) 将铁丝绕成螺旋状,能增大铁丝的受热面积,可以使燃烧更剧烈、持续时间更长。(3) 根据表格分析,随着铁丝中含碳量的升高,铁丝燃烧越剧烈,火星越多,则含碳0.6%的铁丝燃烧现象可能是剧烈燃烧,火星四射。(4) 细铁丝在氧气中燃烧放出大量的热,生成物的温度较高,集气瓶内放少量水或细沙的目的是防止反应生成的固体熔融物溅落瓶底,致使集气瓶炸裂。(5) 通过以上实验,可知铁丝燃烧时产生火星四射的现象与碳元素的含量有关,含碳量越高,燃烧越剧烈。(6) 伸入集气瓶的最佳时间是火柴即将燃尽时,能减少氧气消耗,实验现象更明显;火柴向下点燃,能使铁丝充分受热,且氧气密度比空气大,在下方浓度高,更易点燃,故选A。(7) 设水的体积约为x,则有$x+(250\ \mathrm{mL}-x)×\frac{1}{5}=250\ \mathrm{mL}×60\%$,解得$x=125\ \mathrm{mL}$,即预先应向250 mL的集气瓶中加水,水的体积约为125 mL。
解析
【分析】
我们可以顺着探究活动的顺序逐步推导：
1. 活动一首先看实验现象：3根铁丝无论拉直还是绕成螺旋状都能燃烧，直接说明铁丝能不能在氧气中燃烧和是否绕螺旋无关；再结合螺旋越窄燃烧越剧烈的现象，就能推导绕成螺旋的作用是增大受热面积，聚集热量让铁丝持续燃烧。
2. 活动二的变量是铁丝的含碳量，从给出的现象规律：含碳量越高，燃烧越剧烈、火星越多，就能推测含碳0.6%的铁丝的燃烧现象；结合铁丝燃烧生成高温熔融物的性质，就能知道集气瓶底放水/细沙的作用，也能得出火星四射和含碳量相关的结论。
3. 实验操作部分：如果火柴伸入太早，火柴燃烧会大量消耗集气瓶内的氧气，铁丝就很难被引燃，所以要等火柴即将燃尽时再伸入；对比三种操作，A方式火柴头朝下，火焰向上可以充分加热铁丝，结合氧气密度比空气大、集气瓶下部氧气浓度更高的特点，A的成功率最高。
4. 最后计算部分：设加入水的体积为x，排水法收集氧气后，集气瓶内的氧气由两部分组成：收集得到的x体积纯氧，以及剩余(250mL-x)体积空气中含有的20%的氧气，两者之和等于集气瓶总容积250mL的60%，列方程即可解出x的数值。
【解析】
(1) 根据实验现象：拉直的铁丝和两种螺旋状的铁丝均能燃烧，说明铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状无关。
(2) 螺旋越窄的铁丝燃烧越剧烈，说明缠绕成螺旋状可以增大铁丝的受热面积，聚集热量，有利于铁丝持续燃烧，让燃烧更剧烈。
(3) 由实验规律可知，铁丝含碳量越高，燃烧越剧烈、火星四射现象越明显，因此含碳0.6%的铁丝燃烧现象为剧烈燃烧、火星四射。
(4) 铁丝燃烧会生成高温的熔融物，直接溅落到瓶底会导致瓶底受热不均炸裂，因此集气瓶底部放少量水或细沙，目的是防止溅落的熔融物使瓶底炸裂。
(5) 实验的唯一变量是铁丝的含碳量，含碳量越高火星四射现象越明显，说明铁丝燃烧产生火星四射的现象与铁丝的含碳量有关。
(6) 若火柴伸入集气瓶过早，火柴燃烧会大量消耗瓶内氧气，导致铁丝无法顺利引燃，因此最佳伸入时间是火柴即将燃尽时；操作方式A中火柴头朝下，火焰向上可以充分预热铁丝，同时氧气密度大于空气，集气瓶下部氧气浓度更高，更易引燃铁丝，因此A的实验成功率更高。
(7) 设预先加入水的体积为x，排水法收集氧气后，集气瓶内总氧气体积为：收集的纯氧体积x + 剩余空气中的氧气体积(250mL - x)×20%，根据最终氧气体积分数为60%可列方程：
$x + (250\ \mathrm{mL} - x) × 20\% = 250\ \mathrm{mL} × 60\%$
解得x=125mL。
【答案】
(1) 无 (2) 增大铁丝受热面积,有利于铁丝持续燃烧（合理答案均可） (3) 剧烈燃烧、火星四射 (4) 防止溅落的熔融物使瓶底炸裂 (5) 含碳量 (6) 火柴即将燃尽时 A (7) 125
【知识点】
铁丝燃烧实验、变量控制探究、氧气体积分数计算
【点评】
本题属于项目式探究题型，围绕铁丝燃烧实验的常见问题展开，既考察了铁丝燃烧实验的基础操作细节，也通过控制变量的实验设计锻炼学生从现象推导结论的逻辑思维，最后结合排水法收集氧气的场景考察氧气体积分数的计算，综合性较强，易错点为操作方式的选择和最后一步的计算，需要学生结合氧气的物理性质和空气组成规律分析。
【难度系数】
0.6
我们可以顺着探究活动的顺序逐步推导：
1. 活动一首先看实验现象：3根铁丝无论拉直还是绕成螺旋状都能燃烧，直接说明铁丝能不能在氧气中燃烧和是否绕螺旋无关；再结合螺旋越窄燃烧越剧烈的现象，就能推导绕成螺旋的作用是增大受热面积，聚集热量让铁丝持续燃烧。
2. 活动二的变量是铁丝的含碳量，从给出的现象规律：含碳量越高，燃烧越剧烈、火星越多，就能推测含碳0.6%的铁丝的燃烧现象；结合铁丝燃烧生成高温熔融物的性质，就能知道集气瓶底放水/细沙的作用，也能得出火星四射和含碳量相关的结论。
3. 实验操作部分：如果火柴伸入太早，火柴燃烧会大量消耗集气瓶内的氧气，铁丝就很难被引燃，所以要等火柴即将燃尽时再伸入；对比三种操作，A方式火柴头朝下，火焰向上可以充分加热铁丝，结合氧气密度比空气大、集气瓶下部氧气浓度更高的特点，A的成功率最高。
4. 最后计算部分：设加入水的体积为x，排水法收集氧气后，集气瓶内的氧气由两部分组成：收集得到的x体积纯氧，以及剩余(250mL-x)体积空气中含有的20%的氧气，两者之和等于集气瓶总容积250mL的60%，列方程即可解出x的数值。
【解析】
(1) 根据实验现象：拉直的铁丝和两种螺旋状的铁丝均能燃烧，说明铁丝在氧气中能不能燃烧与是否将铁丝缠绕成螺旋状无关。
(2) 螺旋越窄的铁丝燃烧越剧烈，说明缠绕成螺旋状可以增大铁丝的受热面积，聚集热量，有利于铁丝持续燃烧，让燃烧更剧烈。
(3) 由实验规律可知，铁丝含碳量越高，燃烧越剧烈、火星四射现象越明显，因此含碳0.6%的铁丝燃烧现象为剧烈燃烧、火星四射。
(4) 铁丝燃烧会生成高温的熔融物，直接溅落到瓶底会导致瓶底受热不均炸裂，因此集气瓶底部放少量水或细沙，目的是防止溅落的熔融物使瓶底炸裂。
(5) 实验的唯一变量是铁丝的含碳量，含碳量越高火星四射现象越明显，说明铁丝燃烧产生火星四射的现象与铁丝的含碳量有关。
(6) 若火柴伸入集气瓶过早，火柴燃烧会大量消耗瓶内氧气，导致铁丝无法顺利引燃，因此最佳伸入时间是火柴即将燃尽时；操作方式A中火柴头朝下，火焰向上可以充分预热铁丝，同时氧气密度大于空气，集气瓶下部氧气浓度更高，更易引燃铁丝，因此A的实验成功率更高。
(7) 设预先加入水的体积为x，排水法收集氧气后，集气瓶内总氧气体积为：收集的纯氧体积x + 剩余空气中的氧气体积(250mL - x)×20%，根据最终氧气体积分数为60%可列方程：
$x + (250\ \mathrm{mL} - x) × 20\% = 250\ \mathrm{mL} × 60\%$
解得x=125mL。
【答案】
(1) 无 (2) 增大铁丝受热面积,有利于铁丝持续燃烧（合理答案均可） (3) 剧烈燃烧、火星四射 (4) 防止溅落的熔融物使瓶底炸裂 (5) 含碳量 (6) 火柴即将燃尽时 A (7) 125
【知识点】
铁丝燃烧实验、变量控制探究、氧气体积分数计算
【点评】
本题属于项目式探究题型，围绕铁丝燃烧实验的常见问题展开，既考察了铁丝燃烧实验的基础操作细节，也通过控制变量的实验设计锻炼学生从现象推导结论的逻辑思维，最后结合排水法收集氧气的场景考察氧气体积分数的计算，综合性较强，易错点为操作方式的选择和最后一步的计算，需要学生结合氧气的物理性质和空气组成规律分析。
【难度系数】
0.6
