初中化学数字化实验.ppt

1初中化学数字化实验初中化学数字化实验17ICCE2n数字化化学实验室主要包括数字化化学实验室主要包括 实验室实验室、手持技术仪器手持技术仪器(如数如数据采集器与各类传感器据采集器与各类传感器)、常规常规实验仪器实验仪器和和计算机计算机等。等。17ICCE317ICCE4一、手持技术的概念与原理一、手持技术的概念与原理二、手持技术的特点二、手持技术的特点三、手持技术使用方法介绍三、手持技术使用方法介绍四、手持技术在初中化学实验教学四、手持技术在初中化学实验教学中的应用示例中的应用示例17ICCE5一、手持技术的概念与原理一、手持技术的概念与原理n手持技术手持技术(Held Technology)顾名思义，顾名思义，在掌上就可以操作的技术，因而又称在掌上就可以操作的技术，因而又称“掌上技术掌上技术”，是一种常用的传感器技术。，是一种常用的传感器技术。它是由数据采集器、传感器和配套的软它是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的、定量采集各种常见数据并能件组成的、定量采集各种常见数据并能与计算机连接的实验技术系统，由于其与计算机连接的实验技术系统，由于其体积较小，在手掌上就可以操作，采集体积较小，在手掌上就可以操作，采集多种数据，故形象地称为手持技术仪器。多种数据，故形象地称为手持技术仪器。17ICCE6n它的工作原理如图所示，利用传感器把从它的工作原理如图所示，利用传感器把从外部感应到的物理量通过电信号的形式传外部感应到的物理量通过电信号的形式传输到数据采集器输到数据采集器,数据采集器将信号规范整数据采集器将信号规范整合后传送到数据处理系统进行实时分析、合后传送到数据处理系统进行实时分析、统计、拟合等处理。统计、拟合等处理。17ICCE7n传感器传感器(探头探头)可根据需要测定的参数可根据需要测定的参数(如如温度、湿度、光强、温度、湿度、光强、pH值、溶解氧浓度、值、溶解氧浓度、电导率、气压、电流、电压等电导率、气压、电流、电压等)而自行选而自行选择择n数据采集器主要用于采集并储存实验数数据采集器主要用于采集并储存实验数据据17ICCE8n将计算机与手持技术仪器联用时将计算机与手持技术仪器联用时,传感传感器可以精确地测量与传递实验中所测定器可以精确地测量与传递实验中所测定的各种实验参数，所得实验数据将通过的各种实验参数，所得实验数据将通过数据采集器传到计算机中数据采集器传到计算机中,计算机经由计算机经由配套软件将数据以表格和图像的形式呈配套软件将数据以表格和图像的形式呈现现,并进行分析处理。并进行分析处理。17ICCE9n例如将温度传感器与例如将温度传感器与 pH 传感器置于盛传感器置于盛有少量水的烧杯中有少量水的烧杯中,随着固体氢氧化钠随着固体氢氧化钠固体的加入固体的加入,计算机屏幕上将分别出现计算机屏幕上将分别出现两条逐渐上升的实验曲线两条逐渐上升的实验曲线,并且在表格并且在表格中实时显示温度与中实时显示温度与 pH 值的变化数据。值的变化数据。可见可见,利用基于计算机的化学实验利用基于计算机的化学实验,能使能使传统教学中的定性实验得以量化验证。传统教学中的定性实验得以量化验证。17ICCE10n手持技术可以广泛应用于理科实验中，可以手持技术可以广泛应用于理科实验中，可以方便而迅速地收集各类物理、化学、生物、方便而迅速地收集各类物理、化学、生物、环境等数据，如位移、速度、温度、声音、环境等数据，如位移、速度、温度、声音、光、电、力、光、电、力、pH值、以及值、以及Ca2+、NO3-、NH4+、Cl-的浓度、相对湿度、心电图等。的浓度、相对湿度、心电图等。n是一套先进的便携式数据采集系统，可以利是一套先进的便携式数据采集系统，可以利用它对许多自然现象和科学实验进行探究性用它对许多自然现象和科学实验进行探究性学习。同时学习。同时,这些仪器的轻巧与便携还为学这些仪器的轻巧与便携还为学生进行户外探究提供了可能。生进行户外探究提供了可能。17ICCE11（一）数据采集器介绍一）数据采集器介绍n数据采集器是一个数据采集与数据分析功数据采集器是一个数据采集与数据分析功能的综合理科实验系统。能的综合理科实验系统。n它把实验过程中的物理信号转变为数字信它把实验过程中的物理信号转变为数字信号输出，全程跟踪实验过程中的数据变化号输出，全程跟踪实验过程中的数据变化并以多种形式显示实验结果。并以多种形式显示实验结果。17ICCE12液晶显示屏液晶显示屏端口端口4端口端口3端口端口2端口端口1外外接接传传感感器器连连接端口接端口计计算算机机连连线线端口端口AC/DC电电源源插插座接口座接口“开开 机机”、“关机关机”按钮按钮“前前进进”、“后退后退”按钮按钮“退退出出”按按钮钮“执执行行”按按钮钮17ICCE13n能与计算机连接，完成各种后期处理的能与计算机连接，完成各种后期处理的实验技术系统。将手持技术与网络技实验技术系统。将手持技术与网络技术整合构成的现代科学实验室成为术整合构成的现代科学实验室成为“掌上实验室掌上实验室”。17ICCE14（二）传感器介绍（二）传感器介绍n传感器：传感器：能感受规定的被测量并按照一定的能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。规律转换成可用输出信号的器件或装置。或传感器是一种能把物理量或化学量转或传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。变成便于利用的电信号的器件。17ICCE15工作原理：工作原理：放大变换放大变换输出输出信号处理信号处理信号检出器信号检出器被测信号被测信号信号检测信号检测测量环境测量环境17ICCE16n在中学化学实验教学中常用的传感器有以在中学化学实验教学中常用的传感器有以下一些传感器。下一些传感器。n(1)温度传感器温度传感器17ICCE17n(2)电导率传感器电导率传感器电导率计电导率计17ICCE18n（4）压力传感器）压力传感器 17ICCE19n（5）电压、电流传感器）电压、电流传感器 17ICCE20n（6）CO2传感器传感器 17ICCE21n（7）溶解氧传感器）溶解氧传感器 17ICCE22n（8）离子传感器）离子传感器 17ICCE23n（9）色度传感器）色度传感器 17ICCE24传感器的选择依据传感器的选择依据 n生成气体的反应可以用生成气体的反应可以用压强传感器压强传感器测定单测定单位时间内压强的变化位时间内压强的变化n生成有色物质的反应可以用生成有色物质的反应可以用色度传感器色度传感器测测定单位时间内色度的变化定单位时间内色度的变化n逐渐生成有色物质（或沉淀）逐渐生成有色物质（或沉淀）可以用可以用光光强传感器强传感器测定单位时间内光强的变化测定单位时间内光强的变化17ICCE25n伴随明显的热效应可以用伴随明显的热效应可以用温度传感器温度传感器测定单位时间内温度的变化测定单位时间内温度的变化n溶液中离子浓度或种类的改变可以用溶液中离子浓度或种类的改变可以用电导率、电导率、或或离子传感器离子传感器测定单位时间测定单位时间内电导率（或离子）的变化内电导率（或离子）的变化17ICCE26（三）系统软件介绍（三）系统软件介绍n实验数据处理程序：利用计算机强大的运算和实验数据处理程序：利用计算机强大的运算和数据处理功能，能更好地把握实验的动态以及数据处理功能，能更好地把握实验的动态以及对实验结果进行分析、推测，同时还可以通过对实验结果进行分析、推测，同时还可以通过接口软件对掌上技术的硬件进行更加精确的操接口软件对掌上技术的硬件进行更加精确的操作。作。n实时录像系统：将摄像头与计算机连接，可实实时录像系统：将摄像头与计算机连接，可实时地记录实验现象、将数据曲线与实验现象同时地记录实验现象、将数据曲线与实验现象同时呈现在计算机上，且记录的数据和拍摄的录时呈现在计算机上，且记录的数据和拍摄的录像都可以保存在计算机中，可以随时播放，再像都可以保存在计算机中，可以随时播放，再现实验过程。现实验过程。17ICCE27二、手持技术的特点二、手持技术的特点n便携：便携：数据采集器和传感器都较小数据采集器和传感器都较小,实验时实验时在手掌上就可以操作，可随时随地地进行定在手掌上就可以操作，可随时随地地进行定量实验探究活动。量实验探究活动。n实时：实时：数据变化过程与实验过程同时进行，数据变化过程与实验过程同时进行，与计算机连接，就能将显示变化过程的各种与计算机连接，就能将显示变化过程的各种形式同时演示出来，与微型摄像头连接，就形式同时演示出来，与微型摄像头连接，就能将实验的整个操作过程演示出来并储存在能将实验的整个操作过程演示出来并储存在计算机的硬盘中，实验后可以重复演示。计算机的硬盘中，实验后可以重复演示。17ICCE28n准确：准确：既可以用仪器或电脑自动收集数据，既可以用仪器或电脑自动收集数据，又可又人工控制收集，实验数据可以准确到又可又人工控制收集，实验数据可以准确到0.5%，完全符合中学对实验数据准确度的，完全符合中学对实验数据准确度的要求。要求。n综合：综合：数据采集器可与各种传感器连接，可数据采集器可与各种传感器连接，可同时进行物理、化学、生物、体育、环境、同时进行物理、化学、生物、体育、环境、气象等学科实验的定量探究研究。气象等学科实验的定量探究研究。17ICCE29n直观：直观：手持技术可以以图像、图表等多种形手持技术可以以图像、图表等多种形式动态实时地显示实验的变化过程。可以在式动态实时地显示实验的变化过程。可以在自己喜欢的一种显示方式中任意查看某一时自己喜欢的一种显示方式中任意查看某一时刻、某一段时间或整个过程的实验数据。刻、某一段时间或整个过程的实验数据。17ICCE30三、手持技术使用方法介绍三、手持技术使用方法介绍17ICCE311、数据采集器使用方法、数据采集器使用方法n(1）开机）开机n按下数据采集按下数据采集器面板上的器面板上的“开机开机”(ON(ON）按）按键，采集器首键，采集器首先进行自检，先进行自检，然后显示主菜然后显示主菜单（如右图）单（如右图）17ICCE32设置数据采集器的工作模式设置数据采集器的工作模式n从开机状态的图面开始从开机状态的图面开始n按数据采集器上的按数据采集器上的“”键到键到“系统配置系统配置”,按按“回车回车”键进入键进入“系统配置系统配置”，根据需，根据需要按要按“”或或“”可可选择：选择：“自动自动”、“手手动动”模式。本实验设置模式。本实验设置“工作模式为工作模式为“自动自动”.图图2系统配置系统配置17ICCE2024/5/8 周三3334采样启动采样启动 样品采集样品采集 统计分析统计分析 打开文件打开文件 系统配置系统配置17ICCE35采样启动采样启动 样品采集样品采集 统计分析统计分析 打开文件打开文件 系统配置系统配置17ICCE36n按按“ESC”键返回键返回到开始的主界面。到开始的主界面。17ICCE37n从开机状从开机状态的图面态的图面开始，移开始，移动光标到动光标到“采集器采集器设置设置”，然后按然后按“执行执行“键（回车键（回车键），键），采样启动采样启动 样品采集样品采集 统计分析统计分析 打开文件打开文件 系统配置系统配置17ICCE38n屏幕显示屏幕显示“传感器通传感器通道道温度温度”后，接着后，接着显示右图：显示右图：17ICCE39n设置采样率：设置采样率：n根据需要设置，通过按根据需要设置，通过按“”或键或键“”键键可选择频率：可选择频率：;10/min、1/10sec、1/sec、10/S、25/S、50/S、100/S、500/S。n本实验选择：本实验选择：“1/10sec”按按“回车回车”键键下到下到“采样数采样数”处。处。17ICCE40n设置采样数：设置采样数：n根据需要通过按根据需要通过按“”或键或键“”键可选键可选择采样数，择采样数，20、50、100、500、1000、2000、n本实验选择：本实验选择：“10000”按按“回车回车”键键下到下到“显示方式显示方式”处处17ICCE41n设置显示方式设置显示方式：n根据需要通过按根据需要通过按“”或键或键“”键可选键可选择显示方式：条图、表格、曲线、数字。择显示方式：条图、表格、曲线、数字。n本实验选择：本实验选择：“曲线曲线”17ICCE42n按按“ESC”键回到键回到“主菜单主菜单”采样启动采样启动 样品采集样品采集 统计分析统计分析 打开文件打开文件 系统配置系统配置17ICCE432、采集数据、采集数据 n按按“执行执行”键（回车键）开始采集数据，同键（回车键）开始采集数据，同时打开软件（事先安装在电脑中），电脑屏时打开软件（事先安装在电脑中），电脑屏幕会出现数据采集界面（事先数据采集器与幕会出现数据采集界面（事先数据采集器与电脑连接好），随着实验的进行，从电脑屏电脑连接好），随着实验的进行，从电脑屏幕可观察到曲线从起点出来（幕可观察到曲线从起点出来（12：00）慢）慢慢的到终点（慢的到终点（14：00）。实验结束（也可）。实验结束（也可在实验结束后从文件夹中观察到）。在实验结束后从文件夹中观察到）。17ICCE44四、手持技术在初中化四、手持技术在初中化学实验教学和研究性学学实验教学和研究性学习中的应用示例习中的应用示例 17ICCE45（一）手持技术在酸碱中和反应中（一）手持技术在酸碱中和反应中的应用的应用 n【实验仪器与试剂实验仪器与试剂】n数据采集器、数据采集器、pH传感器、磁力搅拌器、磁传感器、磁力搅拌器、磁力搅拌子、酸式滴定管、力搅拌子、酸式滴定管、100mL烧杯；烧杯；n0.1mol/L盐酸、盐酸、0.1mol/L氢氧化钠溶液。氢氧化钠溶液。17ICCE4617ICCE4717ICCE48n【实验步骤实验步骤】n量取量取25mL氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液（0.1mol/L）于）于100mL烧杯中；酸式滴定管用烧杯中；酸式滴定管用0.1mol/L盐盐酸润洗，装液，调零；打开磁力搅拌器，酸润洗，装液，调零；打开磁力搅拌器，设置软件，开始记录数据的同时打开酸式设置软件，开始记录数据的同时打开酸式滴定管活塞，控制滴加速度稳定；待加入滴定管活塞，控制滴加速度稳定；待加入盐酸与氢氧化钠溶液体积比约为盐酸与氢氧化钠溶液体积比约为1：1，停，停止数据记录，关闭酸式滴定管活塞、磁力止数据记录，关闭酸式滴定管活塞、磁力搅拌器，拆除并清洗仪器。搅拌器，拆除并清洗仪器。17ICCE4917ICCE50n以往的滴定实验都只是定性试验，我们只能以往的滴定实验都只是定性试验，我们只能通过滴加酚酞指示剂，通过溶液颜色的变化通过滴加酚酞指示剂，通过溶液颜色的变化来说明来说明pH发生突变，只能知道化学计量点发生突变，只能知道化学计量点附近溶液颜色从无色到淡红色再到红色，从附近溶液颜色从无色到淡红色再到红色，从而说明化学计量点的存在。但学生无法知道而说明化学计量点的存在。但学生无法知道中和滴定过程中具体的中和滴定过程中具体的pH值变化、滴定前值变化、滴定前后溶液中各种粒子浓度变化，无法对化学计后溶液中各种粒子浓度变化，无法对化学计量点附近的突跃进行理性认识。量点附近的突跃进行理性认识。17ICCE51n现在通过现在通过pH传感器，利用手持技术，不仅传感器，利用手持技术，不仅操作方便简单，在学生保持对实验的感性认操作方便简单，在学生保持对实验的感性认识的同时，还可以让学生观察到溶液在整个识的同时，还可以让学生观察到溶液在整个滴定过程中具体滴定过程中具体pH数值的变化情况，让学数值的变化情况，让学生对化学计量点附近的突跃进行理性认识生对化学计量点附近的突跃进行理性认识。17ICCE52（二）探求物质溶解于水时温度（二）探求物质溶解于水时温度变化的规律。变化的规律。n物质溶解于水往往使溶液的温度发生物质溶解于水往往使溶液的温度发生变化。选取变化。选取NH4NO3、NaCl 和和 NaOH 3 种物质溶解于水时种物质溶解于水时,应用手持技术应用手持技术,定定量测量其温度的变化量测量其温度的变化,探求物质溶解于探求物质溶解于水时温度变化的规律。水时温度变化的规律。17ICCE5317ICCE5417ICCE55n实验结果表明实验结果表明:(1)NH4NO3 溶解于水时溶解于水时,溶液温度降低溶液温度降低,是吸热过程是吸热过程,而且其溶解而且其溶解于水中的质量越多于水中的质量越多,温度也越低温度也越低 17ICCE5617ICCE57n(2)N aOH 溶解于水时溶解于水时,溶液温度升高溶液温度升高,是是放热过程放热过程,而且其溶解于水中的质量越多而且其溶解于水中的质量越多,温度也越高温度也越高 17ICCE5817ICCE59n(3)NaCl 溶解于水时溶解于水时,溶液温度降低溶液温度降低,是吸热过程是吸热过程,而且其溶解于水中的质而且其溶解于水中的质量越多量越多,温度也越低温度也越低 17ICCE6017ICCE61n(4)等量的等量的 NH4NO3、NaCl 和和 NaOH 同时同时溶解在等量的水中溶解在等量的水中,NH4NO3 的水溶液温度的水溶液温度降低降低,NaOH 的水溶液温度升高的水溶液温度升高,而而NaCl 的的水溶液温度稍有降低。物质在水中溶解是一水溶液温度稍有降低。物质在水中溶解是一个复杂的物理化学过程个复杂的物理化学过程,总是伴随着能量的总是伴随着能量的变化变化,有热效应现象发生有热效应现象发生,大多数是吸热大多数是吸热,如如实验中的实验中的 NH4NO3、NaCl,有的则是放热有的则是放热,如如NaOH。17ICCE62n目前手持技术在国内化学教学中的应目前手持技术在国内化学教学中的应用研究已经初具规模，已有多所高校用研究已经初具规模，已有多所高校先后建立起手持技术实验室，部分经先后建立起手持技术实验室，部分经济发达地区的中小学也先后建立了应济发达地区的中小学也先后建立了应用基地。用基地。17ICCE63n研究表明：采用手持技术的实验教学可以激研究表明：采用手持技术的实验教学可以激发学生的学习兴趣和探究热情，加深学生对发学生的学习兴趣和探究热情，加深学生对某些化学概念的理解、提高学生对图像的认某些化学概念的理解、提高学生对图像的认知能力和加强学生的团队合作意识等等，为知能力和加强学生的团队合作意识等等，为中学化学实验的教与学提供了一种良好的、中学化学实验的教与学提供了一种良好的、可供选择的教育手段。可供选择的教育手段。17ICCE6417ICCE2024/5/8 周三65