手持技术在中学化学实验教学中的运用介绍(发给学生).doc

手持技术在中学化学实验教学中的运用简介

一、“手持实验技术”简介
v “手持实验技术”又称“手持技术” ( held technology) ，顾名思义，在掌上就可以操作的技术，因而又称“掌上技术” 。
v 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、环境等数据，如位移、速度、温度、声音、光、电、力、pH值、心电图等。
v 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学习。
二、手持实验技术的组成
Ø 手持技术是由数据采集器、传感器（又称为探头）和配套的软件组成的定量采集和处理数据系统。
液晶显示屏
端口4端口3端口2端口1
外接传感器连接端口
计算机连线端口
AC/DC电源插座接口
“开机”、“关机”按钮
“前进”、“后退”按钮
“退出”按钮
“执行”按钮
Ø 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术整合构成的现代科学实验室成为“掌上实验室”。
三、手持技术系统介绍
（一）数据采集器介绍（以“探世界”牌为例）
Ø “探世界”万能数据采集器是一个具有强大数据采集与数据分分析功能的综合理科实验系统。
Ø 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并以多种形式显示实验结果。

（二）传感器介绍
传感器：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。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。
工作原理：

信号检出器
被测信号
放大变换
输出
信号处理
信号检测
测量环境

在中学化学实验教学中常用的传感器有以下一些传感器。
数字温度计
(1)温度传感器

电导率计
(2)电导率传感器

（3）pH传感器
酸度计计

（4）压力传感器 （5）电压、电流传感器

（6）CO2传感器 （7）溶解氧传感器

（8）离子传感器 （9）色度传感器

（三）系统软件介绍
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作。
主工具栏
数据地图
图形窗口
图形工具栏
视频窗口
列表窗口
列表工具栏

Ø 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作。
Ø 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，再现实验过程。
四、手持技术的特点
Ø 便携：数据采集器和传感器都较小,实验时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。
Ø 实时：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计算机的硬盘中，实验后可以重复演示。
Ø 准确：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0.5%，完全符合中学对实验数据准确度的要求。
Ø 综合：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、气象等学科实验的定量探究研究。
Ø 直观：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。
五、手持技术使用方法介绍
以手持技术探究影响大气“温室效应”的因素为例
图1
将制得的N2、O2、CO2及空气 4 瓶气体放在室外的太阳光下，在互相不遮太阳光的条件下尽量使集气瓶靠近，以保证地表和光照条件。将温度传感器插入 4 个集气瓶中，连接好装置。打开数据采集器，实验时间从北京时间12∶00到14∶00，测得此期间 4 种气体在太阳光照射下的温度变化情况。由实验结果分析，在实验的大部分时间内 4 瓶气体的温度由高到低的顺序。
1、数据采集器使用方法
(1）开机
空气
N
2
CO
2
O
2
温
度
传
器
感
数据采集器
4 3 2 1
按下“探世界”万能数据采集器面板上的“开机”(ON）按键，采集器首先进行自检，然后显示主菜单（图1）
（2）安装温度传感器
将温度传感器连接在数据采集器的4个端口上。
连接方法：
1号-N2 2号-O2 3号-CO2 4号-空气
（3）设置数据采集器的工作模式
v 从开机状态的图面开始
v 按数据采集器上的“→”键到“系统配置”（图2） →按“回车”键进入“系统配置”(图3)，根据需要按“→”或“←”可选择：“自动”、“手动”模式。本实验设置 “工作模式为“自动” →按“ESC”键返回到开始的主界面(图1)。
采样启动 样品采集 统计分析 打开文件 系统配置
图2
图2
图3

（4）设置实验数据采集参数
从开机状态的图面开始，移动光标到“采集器设置”，然后按 “执行“键（回车键），屏幕显示“传感器通道——温度”后，接着显示图4：
图4
v 设置采样率：根据需要设置，通过按“←”或键“→”键可选择频率： ……;10/min、1/10sec 、 1/sec、 10/S、25/S、50/S、100/S、500/S……。本实验选择：“1/10sec” →按“回车” 键下到“采样数”处。
v 设置采样数：根据需要通过按“←”或键“→”键可选择选择，20 、 50、 100、500、1000、2000、……本实验选择：“10000” →按“回车” 键下到“显示方式”处
43
41
39
37
35
33
31
29
27
温度
／
℃
空气
二氧化碳
氮气
氧气
12∶00 12∶30 13∶00 13∶30 14∶00
时间
v 设置显示方式：根据需要通过按“←”或键“→”键可选择选择方式：条图、表格、曲线、数字。本实验选择：“曲线”，按“ESC”键回到“主菜单”（图1）
2、采集数据
v 按“执行”键（回车键）开始采集数据，同时打开“探世界”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（12：00）慢慢的到终点（14：00）。实验结束（也可在实验结束后从文件夹中观察到）。
3、实验结果分析
从实验数据可看出：
Ø 在实验的大部分时间内4瓶气体的温度由高到低的顺序是：CO2 、空气、N2、 O2
Ø 从结论可知：二氧化碳是造成温室效应的罪魁祸首
六、仪器参数设置依据及注意事项
（1）采样频率的设置
应根据反应速度的快慢来确定，反应速率快，采样频率要设置快（一般是采样对象反应速度的 2 倍或以上），反之则慢。
（2）采样总数的设置：需要根据情况来确定。
Ø 对于在不断变化的测定对象：
需要根据反应的总时间和频率来设置，其公式为：
采样数＝采样时间×采样频率
注意：其中采样时间的单位应与采样频率相同。
例如：探究浓度对过氧化氢分解速率的影响时，因反应比较快大约在2分钟内能够完成，因此，设置仪器参数为：
采样频率：10/S
采样数：120S×10/S=1200个
显示方式：曲线
Ø 对于反应已经停止的对象（如测定吸光度），采样数则可以用 “连续”。在连续不断的过程中测定某物质或某浓度的透射率。
七、传感器的选择依据
以探究反应速率实验为例谈传感器的选择。
v 生成气体的反应－可以用压强传感器测定单位时间内压强的变化
v 生成有色物质的反应－可以用色度传感器测定单位时间内色度的变化
v 逐渐生成有色物质（或沉淀）——可以用光强传感器测定单位时间内光强的变化
v 伴随明显的热效应－可以用温度传感器测定单位时间内温度的变化
v 溶液中离子浓度或种类的改变－可以用电导率（或离子）传感器测定单位时间内电导率（或离子）的变化
八、资源介绍
教材：
v 手持技术在理科实验中的应用研究——钱扬义
v 手持技术在研究型学习中的应用及其心理学基础——钱扬义
v 手持技术在化学学习中的应用与建模研究——钱扬义
v 传感技术——化学实验探究手册——王磊、魏锐、范琳
网站：
v “我爱你化学网” ：

基于传感技术的化学实验研究
——用色度传感器测定补钙剂中钙的含量

一、 实验目的
1． 初步掌握手持技术的组成、原理和特点。
2． 学会用手持技术测定补钙剂中钙的含量的测定方法。
二、 实验内容
用手持技术中的色度计测定补钙剂中钙的含量。
三、 实验原理
1. 化学原理：Ca2+ + 酸性铬蓝K == Ca2+-指示剂（红色络合物）
ε=498nm pH=11
A1/A2=C1/C2 A=lg（1/T）=KC
2. 色度计工作原理：
滤光片： 470nm---蓝 565nm---绿 635nm---红
本实验选择蓝色滤光片，放置t=10min
四、 要求及注意事项
1、 用Excel或Origin处理结果、制作标准曲线，并将图贴在报告纸上（△A,C），图的大小控制在6×8cm左右。
2、 制作的标准曲线图时，要求在图中标出回归方程（y=ax+b）、相关系数（R2）。
3、 爱护仪器，严格按操作说明进行操作。
4、 规范操作：（1）正确选择实验用水；（2）仪器的洗涤方法，比色皿润洗试剂量≤1mL；（3）移液管的使用方法；（4）比色皿拿棱角处，避免磨花。
5、 配制溶液和进行测定时要检查并判断溶液的颜色和数据是否正确。
五、 实验步骤
（一） 药品配制
（1）Ca2+标准储备液（1.00mg/mL）（教师配制）
（2）Ca2+标准使用液（40ug/mL）:准确移取2.0mL储备液→50mL容量瓶→稀释至刻度
（3）酸性铬蓝K显色剂（1.99mg/mL）（教师配制）
（4）缓冲液（pH=11）:0.5mL(0.1mol/L)NH4Cl+16mL(0.1mol/L)氨水→精密试纸测试 , 若pH≠11，则用相应的共轭酸或碱调至pH=11
（5）样品储备液（教师配制）
（6）样品使用液 准确移取5.0mL→50mL容量瓶

4 3 2 1
图1
（二）仪器参数的设置
（1）安装色度传感器
将温度传感器连接在数据采集器的第一个端口上（图1右图）。。
（2）开机
按下“探世界”万能数据采集器面板上的“开机”(ON）按键，采集器首先进行自检，然后显示主菜单（图1左图）
（3）设置数据采集器的工作模式
v 从开机状态的图面开始
v 按数据采集器上的“→”键到“系统配置”（图2） →按“回车”键进入“系统配置”(图3)，根据需要按“→”或“←”可选择：“自动”、“手动”模式。本实验设置工作模式为“自动” →按“ESC”键返回到开始的主界面(图1)。
采样启动 样品采集 统计分析 打开文件 系统配置
图2
图2
图3

图4
（4）设置实验数据采集参数
从开机状态的图面开始，移动光标到“采集器设置”，然后按 “执行“键（回车键），屏幕显示“传感器通道——色度计”后，接着显示图4：
v 设置采样率：根据需要设置，通过按“←”或键“→”键可选择频率： ……;10/min、1/10sec 、 1/sec、 10/S、25/S、50/S、100/S、500/S……。本实验选择：“1/10sec” →按“回车” 键下到“采样数”处。
v 设置采样数：根据需要通过按“←”或键“→”键可选择选择，20 、 50、 100、500、1000、2000、连续……本实验选择：“连续” →按“回车” 键下到“显示方式”处。
v 设置显示方式：根据需要通过按“←”或键“→”键可选择选择方式：条图、表格、曲线、数字。本实验选择：“数字”，按“ESC”键回到“主菜单”（图1）
（三）仪器的校准
将蓝色滤光片放入色度传感器中→揭开传感器上的盖子→放入装蒸馏水的比色皿→关好盖子，待读数稳定后→调节传感器上的旋扭使读数为100%→读数稳定后，按Esc退出至主界面，不关机待用！！！
（四）标准曲线的制作及样品的测定
1、测定内容
编号
试剂
1
2
3
4
5
6
7
样1
样2
样3
酸性铬蓝K（mL）
0.3
缓冲溶液（PH=11）(mL)
0.3
Ca2+标准溶液
（40 μg/mL）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6

样品（mL）

0.1
0.2
0.3
定容(mL)
10
放置时间（min）
10
透射比
（T）
T1%

T2%

T平%

吸光度（A）

2、测定方法和步骤
(1)测定准备
取出蒸馏水，按正规操作淌洗比色皿，放入装待测试液的比色皿，盖好盖子。
（2）采集数据
按“执行”键（回车键）开始采集数据，采集结束后，按Esc回到主菜单。
（3）数据统计
按左右键选择“统计分析”，回车进入，记录相关数据后，按Esc退回到主菜单。
六、 结果处理（需计算相对偏差）
1. 将T换算成A A=lg1／T
2. △A1=A1-A0… △A1= lg1／T1—lg1／T0
3. 计算公式
m20片=11.0604g m40片=22.1204g
（△A/K）×(10mL/Vx) ×(50/5) ×2000×10-6
m20片
×
m40片
40
ω=
（g/片）

X
——
d
——

相对平均偏差＝
×100%
∑‖X－ ‖
————————
——
X—
n×
——
X—
×100%

＝