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10. 测量空气中氧气体积分数实验的思维模型如下:
项目化学习小组按图甲完成氧气含量测定的实验时,发现进入集气瓶的水量低于“1”刻度线。为提高氧气含量测定的精准度,展开了如下研究。
[误差分析]几位同学对测量值偏小原因的分析如下:
甲:红磷的量不足,未能把瓶内氧气耗尽;
乙:将燃烧匙伸入集气瓶瞬间,部分空气逸出;
丙:实验前导管中有空气,实验后一部分本应进入容器的水滞留在导管中;
丁:广口瓶的形状很难均分五等份,影响测量结果。
(1)以上原因分析中,其中一位同学的观点被大家一致否定,你认为是哪位同学的观点?
(2)[方案改进]根据以上讨论,为减少实验误差,提高实验结果的精准度,学习小组同学设计了图乙改进装置。已知:红磷的着火点是240℃,无毒;白磷的着火点是40℃,有剧毒。比较图甲、图乙的实验方案,下列关于图乙实验方案叙述正确的是
A. 利用着火点更低的白磷并采用加热后的玻璃棒“内引燃”,建立封闭空间使实验结果更精准
B. 可以解决图甲方案中一部分水滞留在导管中带来的误差问题
C. 改用量筒内水的体积变化来确定消耗氧气的体积,使测量结果更精准
D. 彻底地解决了实验的安全性问题,符合绿色化学理念
(3)小金同学认为,图乙实验装置还需在橡皮管处补充一个止水夹,请表达你的观点及理由:
(4)[问题反思]小组同学多次实验,测量值总是小于$\frac{1}{5}$。经过老师指导,小组同学讨论后认为,可以从模型中“消耗氧气”的方法入手,进一步改进实验。
[资料]暖宝宝是利用铁粉在空气中氧化的原理制成。
[方案迭代]讨论后,项目组设计了如图丙所示的装置,用暖宝宝粉代替红磷,利用铁粉在空气中能与氧气反应的原理进行实验。
操作步骤如下:①将滤纸用水浸润后黏附在针筒内壁;②把暖宝宝粉倒入针筒,轻轻转动,使涂抹均匀;③涂上凡士林,将活塞插入针筒,盖上橡皮帽,观察并记录活塞移动情况。
经多次实验后,测得空气中氧气的体积分数均约占$\frac{1}{5}$。
从消耗氧气的方法角度分析,图丙方案比图甲方案测定结果更精准的原因是
[心得交流]科学探究需要不断根据结果反思探究过程,优化方案,实现方案的迭代更新。
项目化学习小组按图甲完成氧气含量测定的实验时,发现进入集气瓶的水量低于“1”刻度线。为提高氧气含量测定的精准度,展开了如下研究。
[误差分析]几位同学对测量值偏小原因的分析如下:
甲:红磷的量不足,未能把瓶内氧气耗尽;
乙:将燃烧匙伸入集气瓶瞬间,部分空气逸出;
丙:实验前导管中有空气,实验后一部分本应进入容器的水滞留在导管中;
丁:广口瓶的形状很难均分五等份,影响测量结果。
(1)以上原因分析中,其中一位同学的观点被大家一致否定,你认为是哪位同学的观点?
乙
选填“甲”“乙”“丙”或“丁”。(2)[方案改进]根据以上讨论,为减少实验误差,提高实验结果的精准度,学习小组同学设计了图乙改进装置。已知:红磷的着火点是240℃,无毒;白磷的着火点是40℃,有剧毒。比较图甲、图乙的实验方案,下列关于图乙实验方案叙述正确的是
ABC
。A. 利用着火点更低的白磷并采用加热后的玻璃棒“内引燃”,建立封闭空间使实验结果更精准
B. 可以解决图甲方案中一部分水滞留在导管中带来的误差问题
C. 改用量筒内水的体积变化来确定消耗氧气的体积,使测量结果更精准
D. 彻底地解决了实验的安全性问题,符合绿色化学理念
(3)小金同学认为,图乙实验装置还需在橡皮管处补充一个止水夹,请表达你的观点及理由:
不需要,是因为图乙实验装置导管已形成液封,增加止水夹后,容易导致瓶塞飞出
。(4)[问题反思]小组同学多次实验,测量值总是小于$\frac{1}{5}$。经过老师指导,小组同学讨论后认为,可以从模型中“消耗氧气”的方法入手,进一步改进实验。
[资料]暖宝宝是利用铁粉在空气中氧化的原理制成。
[方案迭代]讨论后,项目组设计了如图丙所示的装置,用暖宝宝粉代替红磷,利用铁粉在空气中能与氧气反应的原理进行实验。
操作步骤如下:①将滤纸用水浸润后黏附在针筒内壁;②把暖宝宝粉倒入针筒,轻轻转动,使涂抹均匀;③涂上凡士林,将活塞插入针筒,盖上橡皮帽,观察并记录活塞移动情况。
经多次实验后,测得空气中氧气的体积分数均约占$\frac{1}{5}$。
从消耗氧气的方法角度分析,图丙方案比图甲方案测定结果更精准的原因是
铁生锈消耗氧气比红磷更彻底。
。[心得交流]科学探究需要不断根据结果反思探究过程,优化方案,实现方案的迭代更新。
答案
10.(1)乙 (2)ABC (3)不需要,是因为图乙
实验装置导管已形成液封,增加止水夹后,容易导致
瓶塞飞出 (4)铁生锈消耗氧气比红磷更彻底。
实验装置导管已形成液封,增加止水夹后,容易导致
瓶塞飞出 (4)铁生锈消耗氧气比红磷更彻底。
解析
【分析】
我们可以顺着题目设置的探究逻辑逐步思考：
1. 第一问要找出和“进入集气瓶水量低于1刻度线（测量值偏小）”矛盾的观点，逐个分析每个原因对实验结果的影响即可：如果某原因会导致测量值偏大，就是要被否定的观点。
2. 第二问对比甲乙两个装置的差异，结合红磷燃烧实验的原有误差来源，逐一判断每个选项的描述是否符合改进装置的优势，同时注意白磷有剧毒的性质，排除错误说法。
3. 第三问判断是否需要加止水夹，要结合乙装置的结构特点：导管末端浸在水中已经形成液封，再从燃烧放热导致瓶内压强骤变的角度分析加止水夹的不良后果。
4. 第四问从“消耗氧气的方法”角度对比红磷燃烧和铁粉氧化的差异，铁粉缓慢氧化可以消耗几乎全部氧气，比红磷燃烧耗氧更彻底，就能得到更精准的结果。
【解析】
(1) 逐一分析四位同学的观点：
甲：红磷量不足，氧气无法完全耗尽，瓶内剩余气体偏多，进入的水偏少，测量值偏小，观点合理；
乙：燃烧匙伸入集气瓶瞬间部分空气逸出，会导致瓶内损失的气体偏多，冷却后进入集气瓶的水量大于1/5，测量值偏大，和题目中“水量低于1刻度线”的现象矛盾，观点错误；
丙：实验前导管中有空气，部分水滞留在导管中，实际进入集气瓶的水偏少，测量值偏小，观点合理；
丁：广口瓶很难均分五等份，刻度读数存在误差，会导致测量结果偏小，观点合理。
因此被否定的是乙同学的观点。
(2) 逐一判断选项：
A：白磷着火点仅40℃，用加热后的玻璃棒在封闭装置内引燃，避免了甲装置中引燃红磷后伸入集气瓶时的气体逸出问题，实验结果更精准，描述正确；
B：图乙装置没有甲装置中长导管存水的结构，解决了部分水滞留在导管中带来的误差，描述正确；
C：通过量筒内水的体积变化直接读取消耗氧气的体积，比集气瓶上粗略的五等分刻度读数精度更高，测量结果更精准，描述正确；
D：白磷有剧毒，装置无法完全避免白磷泄漏的风险，不能彻底解决实验安全性问题，不符合绿色化学理念，描述错误。
因此选ABC。
(3) 图乙装置的导管末端已经浸入水面下，形成了液封，不会出现气体逸出或者外界空气倒吸的问题；如果额外在橡皮管处添加止水夹，红磷燃烧放热会让集气瓶内压强急剧升高，没有泄压缓冲空间，很容易导致瓶塞被顶出，因此不需要补充止水夹。
(4) 红磷燃烧时，当瓶内氧气浓度降低到一定程度，红磷就无法继续燃烧，不能将瓶内氧气完全耗尽；而铁粉的氧化属于缓慢氧化，可以持续消耗瓶内几乎所有的氧气，因此耗氧更彻底，测定结果更精准。
【答案】
(1) 乙
(2) ABC
(3) 不需要，是因为图乙实验装置导管已形成液封，增加止水夹后，容易导致瓶塞飞出
(4) 铁生锈消耗氧气比红磷更彻底
【知识点】
空气中氧气含量测定
实验误差分析
绿色化学理念
【点评】
本题以空气中氧气体积分数测定的项目化探究为载体，从基础误差分析逐步延伸到装置迭代优化，层层递进，既考察了学生对经典实验原理的掌握程度，也引导学生理解实验改进的核心逻辑，能有效锻炼学生的实验探究综合思维能力。
【难度系数】
0.6
我们可以顺着题目设置的探究逻辑逐步思考：
1. 第一问要找出和“进入集气瓶水量低于1刻度线（测量值偏小）”矛盾的观点，逐个分析每个原因对实验结果的影响即可：如果某原因会导致测量值偏大，就是要被否定的观点。
2. 第二问对比甲乙两个装置的差异，结合红磷燃烧实验的原有误差来源，逐一判断每个选项的描述是否符合改进装置的优势，同时注意白磷有剧毒的性质，排除错误说法。
3. 第三问判断是否需要加止水夹，要结合乙装置的结构特点：导管末端浸在水中已经形成液封，再从燃烧放热导致瓶内压强骤变的角度分析加止水夹的不良后果。
4. 第四问从“消耗氧气的方法”角度对比红磷燃烧和铁粉氧化的差异，铁粉缓慢氧化可以消耗几乎全部氧气，比红磷燃烧耗氧更彻底，就能得到更精准的结果。
【解析】
(1) 逐一分析四位同学的观点：
甲：红磷量不足，氧气无法完全耗尽，瓶内剩余气体偏多，进入的水偏少，测量值偏小，观点合理；
乙：燃烧匙伸入集气瓶瞬间部分空气逸出，会导致瓶内损失的气体偏多，冷却后进入集气瓶的水量大于1/5，测量值偏大，和题目中“水量低于1刻度线”的现象矛盾，观点错误；
丙：实验前导管中有空气，部分水滞留在导管中，实际进入集气瓶的水偏少，测量值偏小，观点合理；
丁：广口瓶很难均分五等份，刻度读数存在误差，会导致测量结果偏小，观点合理。
因此被否定的是乙同学的观点。
(2) 逐一判断选项：
A：白磷着火点仅40℃，用加热后的玻璃棒在封闭装置内引燃，避免了甲装置中引燃红磷后伸入集气瓶时的气体逸出问题，实验结果更精准，描述正确；
B：图乙装置没有甲装置中长导管存水的结构，解决了部分水滞留在导管中带来的误差，描述正确；
C：通过量筒内水的体积变化直接读取消耗氧气的体积，比集气瓶上粗略的五等分刻度读数精度更高，测量结果更精准，描述正确；
D：白磷有剧毒，装置无法完全避免白磷泄漏的风险，不能彻底解决实验安全性问题，不符合绿色化学理念，描述错误。
因此选ABC。
(3) 图乙装置的导管末端已经浸入水面下，形成了液封，不会出现气体逸出或者外界空气倒吸的问题；如果额外在橡皮管处添加止水夹，红磷燃烧放热会让集气瓶内压强急剧升高，没有泄压缓冲空间，很容易导致瓶塞被顶出，因此不需要补充止水夹。
(4) 红磷燃烧时，当瓶内氧气浓度降低到一定程度，红磷就无法继续燃烧，不能将瓶内氧气完全耗尽；而铁粉的氧化属于缓慢氧化，可以持续消耗瓶内几乎所有的氧气，因此耗氧更彻底，测定结果更精准。
【答案】
(1) 乙
(2) ABC
(3) 不需要，是因为图乙实验装置导管已形成液封，增加止水夹后，容易导致瓶塞飞出
(4) 铁生锈消耗氧气比红磷更彻底
【知识点】
空气中氧气含量测定
实验误差分析
绿色化学理念
【点评】
本题以空气中氧气体积分数测定的项目化探究为载体，从基础误差分析逐步延伸到装置迭代优化，层层递进，既考察了学生对经典实验原理的掌握程度，也引导学生理解实验改进的核心逻辑，能有效锻炼学生的实验探究综合思维能力。
【难度系数】
0.6
