Ⅰ 谁推荐一两个简单又有点有趣的化学小实验(适合高中小朋友做的)
高中书上都是呀,还有“高中小朋友”听上去怪怪的
这些是除了书上另外的:
(一)鸣炮庆祝
用品:研钵、玻璃片、滴管、玻棒、纸。
氯酸钾、红磷、酒精、浆糊。
原理:氯酸钾为强氧化剂,红磷为易燃物,两者之间很容易发生化学反应。用药匙将它们相混时会发生燃烧。将混和物撞击时会发生猛烈的爆炸。
5KClO3+6P=5KCl+3P2O5
操作:将2克氯酸钾晶体放在研钵里研成粉末,倒在玻璃片上。取0.6克红磷放在氯酸钾粉末旁。用滴管吸取酒精滴到两种药品上,使药品潮湿,然后用玻棒将它们混和均匀调成糊状,分成三等分。等它们干燥后分别用纸包紧粘牢。
庆祝开始时,把三个纸包先后用力朝水泥地或砖头上掼,就会发出三声炮响。
(二)玻棒点火
用品:玻棒、玻璃片、酒精灯。98%浓硫酸、高锰酸钾。
原理:高锰酸钾和浓硫酸反应产生氧化能力极强的棕色油状液体七氧化二锰。它一碰到酒精立即发生强烈的氧化-还原反应,放出的热量使酒精达到着火点而燃烧。
2KMnO4+H2SO4=K2SO4+Mn2O7+H2O
2Mn2O7=4MnO2+3O2↑
C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O
操作:用药匙的小端取少许研细的高锰酸钾粉末,放在玻璃片上并堆成小堆。将玻棒先蘸一下浓硫酸,再粘一些高锰酸钾粉末。跟着接触一下酒精灯的灯芯,灯芯就立即燃烧起来,一次可点燃四、五盏酒精灯。
注意事项:七氧化二锰很不稳定,在0℃时就可分解为二氧化锰和氧气。因此玻棒蘸浓硫酸和高锰酸钾后,要立即点燃酒精灯。否则时间一长,七氧化二锰分解完,就点不着酒精灯了。
(三)钢丝点火
用品:钢丝、瓶盖、蜡烛、硫粉。
原理:利用铁丝上硫燃烧时火焰很淡,白天在远处看不出来,好象真的是钢丝把蜡烛点着的。
操作:事先把自行车钢丝一端锤扁成凹槽,在槽里放一些硫粉,加热熔化着火,备用。将一支蜡烛点燃后放在桌上。这时用瓶盖将烛焰盖灭,再用钢丝接触烛芯上升的白烟,烛火便复燃。可再盖灭,再点燃。这样一亮一灭,令人暗暗叫奇。
(四)手指点火
用品:研钵、小木板。
蜡烛、氯酸钾、硫。
原理:蜡烛的余烬使硫燃烧。硫燃烧时放出的热量使氯酸钾分解产生氧气,因而硫燃烧得更旺,余烬便着火了。
操作:取1克氯酸钾和0.5克硫,分别放在研钵里研成很细的粉末,然后把它们混和均匀。或者用十根火柴,把头药刮下研细也行。
在小木板上固定好一支蜡烛,并将它点燃。事先用手指头蘸些混和好的药粉。表演时,将烛火吹灭,趁着尚有余烬,把蘸有药粉的手指头,轻轻地向烛芯碰一下,蜡烛便可复燃。可以再吹灭,再点燃。
注意事项:蜡烛的烛芯长约1.5厘米。这样在吹熄后才有余烬。如果用研细的火柴头药,只能在手指头上粘上薄薄的一层。多了,手指上的头药也会着火,可能灼伤手指。
(五)氯气点火
用品:250毫升广口瓶、分液漏斗、导管、玻璃水槽、集气瓶、毛玻片、试管、滴管。
电石、水、浓盐酸、高锰酸钾。
原理:电石和水反应产生乙炔。高锰酸钾和盐酸反应产生氯气。氯气和乙炔反应放出的热使乙炔着火,然后乙炔在空气中继续燃烧。
CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑
2KMnO4+16HCl=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O
C2H2+Cl2→2C+2HCl
2C2H2+5O2→4CO2+2H2O
操作:实验装置如图15-1所示。在广口瓶里放入10克小块电图15-1制取乙炔石。轻轻旋开分液漏斗的活栓,使水慢慢地滴下。等广口瓶内的空气排净后,用排水法收集一瓶乙炔。瓶口用毛玻片盖住,直立放在桌上。另取一支试管放入0.5克高锰酸钾晶体滴入2滴浓盐酸就有氯气产生并充满试管。这时,左手拿开乙炔瓶上的毛玻片,右手把试管里的氯气倒入乙炔瓶里。当乙炔和氯气相遇,便立即着火发出光亮而带浓烟的火焰。
(六)杯中大火
用品:600毫升烧杯、蒸发皿、坩埚、镊子。
乙醚、钾、细砂。
原理:钾和乙醚在常温时不发生反应。当把它们倒入水时,钾和水相遇立即产生氢气并着火,从而引起剧烈的燃烧现象。
2K+2H2O=2KOH+H2↑
2H2+O2 2H2O
C2H5OC2H5+6O2 4CO2+5H2O
操作:在烧杯底部放一厚层细砂,砂上放盛有5毫升水的蒸发皿。向坩埚里注入2毫升乙醚,再放入绿豆大的一块钾。将乙醚和钾的混和物倒入蒸发皿时,杯内立即发生大火。
(七)滴水生火
用品:600毫升烧杯、蒸发皿、镊子、滴管。
滤纸、细砂、过氧化钠、白磷。
原理:过氧化钠和水反应产生氧气并放出大量的热,使白磷着火生成大量的五氧化二磷白烟。
操作:在600毫升烧杯的底部铺一层细砂,砂上放一个蒸发皿。取2克过氧化钠放在蒸发皿内,再用镊子夹取2块黄豆大小的白磷,用滤纸吸去水分后放在过氧化钠上。用滴管向过氧化钠滴1~2滴水,白磷便立即燃烧起来,产生浓浓的白烟.
(八)液中星火
用品:大试管、铁架台、铁夹。
98%浓硫酸、酒精、高锰酸钾。
原理:高锰酸钾和浓硫酸接触会产生氧化性很强的七氧化二锰,同时放出热量。七氧化二锰分解出氧气,使液中的酒精燃烧。但由于氧气的量较少,只能发出点点火花,而不能使酒精连续燃烧。
操作:取一个大试管,向试管里注入5毫升酒精,再沿着试管壁慢慢地加入5毫升浓硫酸,不要振荡试管。把试管垂直固定在铁架台上。这时,试管里的液体分为两层,上层为酒精,下层为浓硫酸。用药匙取一些高锰酸钾晶体,慢慢撒入试管,晶体渐渐落到两液交界处。不久,在交界处就会发出闪闪的火花。如果在黑暗的地方进行,火花就显得格外明亮。
注意事项:高锰酸钾的用量不可过多,否则,反应太剧烈,试管里的液体会冲出来。
(九)冰块着火
用品:大瓷盘、滴管。
电石、钾、冰块。
原理:水和钾反应剧烈,使生成的氢气燃烧。氢气的燃烧使电石和水反应生成的乙炔着火。燃烧所产生的热进一步使冰熔化成水,水和电石作用不断地产生乙炔,因此火焰就越烧越旺,直到电石消耗完,火焰才渐渐熄灭。
操作:取一大块冰放在大瓷盘里,在冰上挖一个浅坑,放入一小块电石和一小块钾。然后向浅坑里滴几滴水,立即冒出一团烈火和浓烟,好象冰块着火似的。
(十)星光飞舞
用品:20毫升塑料瓶、针、酒精灯。
胆矾粉末、镁粉、还原铁粉。
原理:当胆矾粉末、镁粉和还原铁粉落在火焰上时,胆矾的铜离子使火焰呈现绿色,镁粉和铁粉因体积很小,与空气的接触面很大,容易被火焰灼热,所以能和空气中的氧气化合生成氧化镁和四氧化三铁。
2Mg+O2 2MgO
3Fe+2O2 Fe3O4反应所产生的热使四氧化三铁发红,使氧化镁达到白炽状态,于是便出现细小的红光和耀眼的白光。因为金属粉末不是同一时间落在火焰上燃烧的,加上在氧化时被热气流冲开,所以红光和白光四射,一闪一闪好象星光在飞舞。
操作:取胆矾粉末、镁粉和还原铁粉各1克。把它们混和均匀后,放入小塑料瓶里。瓶底用针打一些小孔。然后在酒精灯火焰的上方,轻轻拍打塑料瓶。瓶里的粉末落在火焰上时,火焰呈绿色。在绿色火焰的上方,飞舞着红色和白色的星光,景色十分美丽。
(十一)水中燃烧
用品:研钵、玻璃水槽、直径约4厘米的塑料瓶,铁棒,引火线。
硝酸钾、硫粉、木炭粉、细砂。
原理:黑火药在水中燃烧时,所喷出的大量烟尘和气体足以把水冲开而不影响其反应的继续进行。黑火药燃烧的主要化学反应是:
S+2KNO3+3C 点燃K2S+N2↑+3CO2↑
操作:取硝酸钾5份、硫粉1份、木炭粉1份、分别研细后放在纸上反复拌匀,配成黑火药,备用。
取一直径约4厘米的塑料瓶,把它截成高约6厘米、有底的圆筒。向筒内先装入约2厘米厚的细砂,再填入黑火药。每装入少许,用铁棒捣结实,填满到筒口后,插入引火线(它是用棉绳浸透30%硝酸钾溶液晒干而成的。)再把黑火药压紧。把装好火药的塑料筒,轻轻放入盛有水的玻璃水槽,筒口要高出水面约1厘米。
点燃引火线,不久有大量烟尘和火焰从塑料筒里喷出来。燃烧逐渐蔓延到水下,直到黑火药烧完为止。由于有少量没有烧完的炭粉分散在水中,使水变成棕黑色。
(十二)水中火光
1
用品:200毫升烧杯、2毫升移液管、镊子、药匙。
水、98%浓硫酸、氯酸钾、白磷。
原理:氯酸钾和浓硫酸作用,生成易分解的氯酸,产生二氧化氯。二氧化氯很容易分解生成氯气和氧气,同时放热使白磷达到着火点在氧气中燃烧,生成五氧化二磷。五氧化二磷和水反应生成磷酸。
KClO3+H2SO4=HClO3+KHSO4
4HClO3=4ClO2↑+O2↑+2H2O
2ClO2=Cl2+2O2
4P+5O2=2P2O5
P2O5+3H2O=2H3PO4
操作:在烧杯中放入10克氯酸钾晶体,慢慢注入100毫升水,再用镊子夹取2~3块绿豆大的白磷放在氯酸钾晶体中间。然后用移液管吸取浓硫酸2毫升注到氯酸钾和白磷的交界处。这时白磷燃烧,发出火光。
用品:400毫升烧杯、镊子、铁架台、铁夹、试管、带导管的橡皮塞。
氯酸钾、二氧化锰、白磷、40℃的热水。
原理:水的温度达到了白磷的着火点又有氧气存在,所以白磷在水中燃烧。
操作:把5小块绿豆大的白磷投入一个盛有半杯40℃热水的烧杯里。
把6克氯酸钾和2克二氧化锰混和均匀后放在试管里。用带有导管的塞子紧塞管口。给试管加热。将放出氧气的管口靠近白磷时,白磷便立即燃烧,发出闪烁的火光。
(十三)木炭化妆跳舞
用品:铁架台、铁夹、酒精灯、大试管、镊子。
木炭、硝酸钾。
原理:硝酸钾受热先熔化而后分解为亚硝酸钾和氧气。熔化的硝酸钾和木炭接触,反应所放出的热将木炭灼红,生成的二氧化碳把木炭推上去。木炭和硝酸钾脱离接触后,由于重力的作用而落下。木炭就是这样上下跳跃不停,直到它作用完为止。
2KNO3 2KNO2+O2↑
C+O2=CO2
操作:取5克硝酸钾放入大试管里。把试管垂直固定在铁架台上。用酒精灯外焰加热试管底部,使硝酸钾熔化。等有气体放出时,投入黄豆大的木炭并继续加热。一会儿,木炭由黑变红在试管里不断上下跳动,发出明亮的火光。移去酒精灯,木炭还可以跳跃片刻。
(十四)化学灯
用品:铁架台、铁夹、镊子、硬质大试管、酒精灯。
硝酸钾、硫块。
原理:硫和熔化的硝酸钾反应非常剧烈,放出大量的热,使反应中生成的亚硝酸钾被炽热发出耀眼的白光。
2KNO3 2KNO2+O2↑
S+O2=SO2
操作:把装有5克硝酸钾的大试管垂直固定在铁架台上加热试管底部,使硝酸钾熔化。这时拿开酒精灯,向试管里每隔半分钟投入黄豆大的硫块,试管便持续地发出耀眼的白光。
(十五)焰火
用品:研钵、纸筒、引火线(用棉绳浸透30%硝酸钾溶液,晒干而成)。
氯酸钾、硫、木炭粉、硝酸钾、硝酸钠、硝酸钡、硝酸锶、蔗糖、镁粉、三硫化二锑。
原理:焰火呈现红、绿、紫、蓝、黄各种颜色是药品中某些金属元素的焰色反应。
焰色:K,K+(紫色),Na,Na+(黄色),Sr,Sr2+(深红色),Ba,Ba2+(黄绿色)。
操作:按下面的配方(质量比)来配制各色焰火。
红色:氯酸钾4,硫粉11,木炭粉2,硝酸锶33。
绿色:氯酸钾9,硫粉10,硝酸钡31。
白色:硫粉3,硝酸钾12,镁粉1,木炭粉2。
紫色:氯酸钾7,硫粉5,硝酸钾7,蔗糖2。
黄色:硫粉12,木炭粉2,硝酸钾30,硝酸钠5。
蓝色:硝酸钾9,硫粉2,三硫化二锑2。
将所需药品按数量称好,分别研细再混和均匀,装入纸筒,边装边压紧,装好后插入引火线。点燃引火线,火药便燃烧(或用滴入浓H2SO4引燃),发出各色火焰,非常好看。
注意事项:配制火药时,各个成分必须分别研细千万不能混研,以防燃烧或爆炸。反应时将会有较多的烟生成,因此该实验适合在室外进行。
(十六)蜡烛自明
用品:6×6平方厘米木板、30毫升试剂瓶、镊子、滴管。
二硫化碳、白磷、蜡烛。
原理:将白磷的二硫化碳溶液滴在烛芯上,二硫化碳很快挥发掉,剩下细小的白磷颗粒。白磷与空气接触,激烈地氧化放热,使白磷燃烧起来。白磷燃烧时就把烛芯点着了。
操作:取一支点燃过的蜡烛固定在木板上。烛芯要长而松散。在试剂瓶中注入5毫升二硫化碳,再用镊子夹取一块蚕豆大小的白磷放入二硫化碳中,塞上瓶盖,轻轻摇晃,使白磷溶解成溶液。用滴管吸取少量白磷的二硫化碳溶液,滴到烛芯上。不久,烛芯就自燃起来。
(十七)火山爆发
用品:滴管。
烧石膏、高锰酸钾、重铬酸铵、甘油。
原理:高锰酸钾和甘油发生激烈的氧化还原反应,放出的热使甘油着火。重铬酸铵受热迅速分解产生氮气,使三氧化二铬粉末向上飞,迸发出火星。
操作:将烧石膏加水捏成小山,山顶留一坩埚大小的坑,晾干备用。
在石膏山顶的坑中间,堆放高锰酸钾粉末,顶上压一小槽。在高锰酸钾的周围,堆放研细的重铬酸铵粉末。用滴管吸取甘油,滴1~2滴于高锰酸钾的小槽里。一会儿,就可看到有紫红色火焰喷出,跟着又喷出许多绿色的“火山灰”,布满在小山坡上,景象逼真,婉如火山爆发。
(十八)海底火山爆发
1
用品:玻璃水槽、20毫升广口药瓶、塑料薄膜、牛皮筋、滴管。
烧石膏,蔗糖、氯酸钾、98%浓硫酸。
原理:浓硫酸和氯酸钾反应生成奇臭的二氧化氯。二氧化氯氧化力极强,能使蔗糖猛烈燃烧。
操作:用烧石膏加水捏成小山,山顶上嵌入广口药瓶,晾干备用。
将10克氯酸钾和10克蔗糖混和均匀,装入石膏山顶的小瓶内。用塑料薄膜封瓶口,牛皮筋扎紧,然后将小山没入水槽的水里。用滴管吸取浓硫酸,刺破塑料薄膜,滴入几滴浓硫酸。火山立即在水中爆发,十分壮观。
2
用品:玻璃水槽、墨水瓶。
沸水、红墨水。
原理:沸水和冷水发生对流,沸水上升,冷水下降。
操作:在空墨水瓶里滴入10滴红墨水,再注入沸水,扭紧瓶盖,把它放入水槽里。向水槽里倒入冷水,浸过瓶口约5厘米。然后轻轻地旋开瓶盖,瓶内的红水慢慢上升喷向水面,好象海底火山爆发一样。
(十九)节奏的爆炸
用品:研钵、60毫升锥形瓶、玻棒。
碘片、30%浓氨水。
原理:碘和浓氨水反应生成六氨合三碘化氮。它不溶于水,干燥后,性质极不稳定,轻微的触动,即引起爆炸。
3I2+7NH3=NI3•6NH3+3HI
2NI3•6NH3=N2↑+3I2+12NH3↑
分布均匀细小的六氨合三碘化氮爆炸时没有危险。
操作:取1克碘片放在研钵里,加入5毫升浓氨水。小心研磨3分钟,便得到黑色六氨合三碘化氮的细小固体。加水50毫升,经搅动后倒入锥形瓶中。振荡锥形瓶,使黑色粉末均匀地分布在水中,然后洒在舞台上,让它干燥。干燥后,这时在上面跳舞,随着舞步可发出有节奏的爆炸。
(二十)一触就炸
用品:试管2个、带导管的橡皮塞、漏斗、滤纸、药匙、石棉网、三角铁架、酒精灯。
棉花、2%硝酸银溶液、2%稀氨水、电石。
原理:电石和水反应产生乙炔。乙炔和银氨溶液作用生成乙炔银。
CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑
C2H2+2Ag(NH3)2OH→C2Ag2↓+4NH3+2H2O乙炔银受撞击或受热即发生爆炸分解出银和碳。
C2Ag2→2Ag+2C
操作:
在图15-4左面的试管里加入3毫升水,再放入2小块电石,试管口放些棉花,再把连着导管的塞子塞好。让生成的乙炔不断通入银氨溶液中,即有灰白色的乙炔银沉淀产生。等反应停止后,用滤纸过滤,冲洗,取出沉淀物,放在干净的石棉网上并分成若干绿豆大的小堆。俟其干燥后,一触即可爆炸。也可以把石棉网放在三脚铁架上,下面放一盏燃着的酒精灯。片刻,水分蒸发后乙炔银就发出猛烈的爆炸,同时有火光出现。
(二十一)烧不坏的手帕
1
用品:手帕、100毫升烧杯、酒精灯、竹夹子。
酒精。
原理:酒精遇火燃烧,放出热量,使酒精和水大量挥发,带走部分热量。左右摇晃手帕时可散去大量热。这样火焰的温度被降低,不能达到手帕的着火点。
操作:在烧杯中倒入20毫升酒精和10毫升水,充分摇匀,将手帕放入溶液中浸透。用竹夹子夹出手帕,轻轻地把酒精挤掉,然后放在燃着的酒精灯上点燃。手帕着火后,火焰很大。这时要左右摇晃手帕,直到熄灭。火熄灭后,手帕完好无损。
用品:手帕、玻棒、酒精灯。
酒精、磷酸钠饱和溶液、明矾饱和溶液。
原理:浸过磷酸钠和明矾溶液的手帕在晾干后,磷酸钠和明矾所形成的氢氧化铝会把布和空气隔开。因此酒精燃烧产生的热,不能使手帕达到燃点。
2KAl(SO4)2+3Na3PO4+6H2O=3NaH2PO4+3Na2SO4+K2SO4+2Al(OH)3↓
操作:把手帕放在磷酸钠饱和溶液中浸透,取出晾干。再把这块手帕在明矾饱和溶液中浸几分钟,取出晾干。
表演时,把酒精倒一些在手帕上,再用一根玻棒把手帕挑起,在燃着的酒精灯上点燃。手帕着火发出淡蓝色的火焰。火焰熄灭后,手帕一点没有烧坏。
(二十二)烈火中的花布
用品:花布、细铁丝、镊子、酒精灯。
樟脑丸
原理:樟脑丸的化学成分为萘,很容易燃烧。在燃烧时所产生的热量一部分用于使萘升华,所以和樟脑丸紧贴的花布温度被降低,不能达到布的着火点,布就不会燃烧。
操作:用一块小花布紧紧地包住一颗樟脑丸,再用细铁丝扎紧,然后用镊子夹住,放在酒精灯火焰上点燃,转眼功夫,小花布被熊熊烈火包围,烈火中还散发出浓浓的黑烟。将火吹灭后,打开布包一看,樟脑丸变小了,但花布却和原来一样一点没有烧坏。
(二十三)奇异的脱脂棉
用品:脱脂棉、100毫升烧杯、玻棒、铁丝、铁夹四个。
磷酸钠饱和溶液、明矾饱和溶液、30%硝酸钾溶液、浓硝酸(密度1.4克/毫升)、浓硫酸(密度1.84克/毫升)。
原理:用磷酸钠和明矾溶液浸过的脱脂棉,由于在棉纤维上有一层不能燃烧的保护膜,所以不易燃烧。
用硝酸钾溶液浸过的脱脂棉,由于硝酸钾受热分解出氧气的助燃,所以很容易燃烧。
2KNO3 2KNO2+O2↑
用1体积浓硝酸和2体积浓硫酸的混和液浸泡15分钟的脱脂棉,由于棉纤维和硝酸发生酯化反应生成了极易燃烧的纤维素三硝酸酯,取出,洗净、晾干后,火药棉在外表上跟原脱脂棉相似,但遇火即迅速燃烧。
操作:将脱脂棉分为四等份:第一份是原来的脱脂棉;第二份是先放入磷酸钠溶液中浸透,取出,干后再浸入明矾溶液,取出,晾干后的脱脂棉;第三份是浸入硝酸钾溶液,取出,干燥后的脱脂棉;第四份是浸入10毫升浓硝酸和20毫升浓硫酸的冷混和液中,约10分钟后取出,洗净,晾干后的脱脂棉。
将上面四份脱脂棉夹在铁丝上,彼此留5厘米的距离,然后依次点燃。第一份可以燃烧,但速度不快;第二份不易燃烧;第三份容易燃烧;第四份极易燃烧。
(二十四)口吐“仙气”
用品:尖嘴玻璃管、酒精灯、有色塑料管、药棉。
汽油、肥皂液、甘油。
原理:汽油蒸气可以点燃。当汽油和空气混和后遇火会发生剧烈的燃烧并发出爆炸声。
操作:在长20厘米尖嘴玻璃管外套一层有色的塑料管,管内放一段吸饱汽油的棉花球。把尖嘴管对着酒精灯火焰,向玻管的另一端吹气。当气从尖嘴管出来,遇火便燃烧起来。离开火焰继续燃烧。如果向玻管吹气力量稍大时,火焰可以离开尖嘴4~5厘米远,并呈现明亮的蓝色的火焰,十分好看。
这时把玻管尖端浸入滴有少量甘油的肥皂液。取出后,向玻管另一端吹气。当肥皂泡连串出现在空中时,用燃着的酒精棉球去点一个个的肥皂泡,便发出一连串轻微的爆炸声和火球,非常有趣。
(二十五)火灭画现
用品:100毫升烧杯、毛笔、刷子、玻棒、玻璃板、彩色画片。
硼砂浓溶液、明矾饱和溶液、火药棉、丙酮、铝粉。
原理:画片经过硼砂和明矾溶液先后处理过后,在画面上就有一层不易燃烧的保护层。火药棉燃烧迅速,所以画片不会烧坏。
操作:取一张彩色画片,用毛笔在画片上涂一层硼砂溶液,晾干后涂一层明矾溶液,再晾干后备用。
将火药棉放在小烧杯里加入丙酮和铝粉,调匀。然后把火药棉的丙酮浓稠的液体,刷在玻璃板上,刷的面积比画片略大一些。重复刷3~4遍,干后揭下贴在画片上。这时用火柴点燃火药棉。当火药棉迅速烧完时,美丽的画面就出现在眼前。
(二十六)烧不着纸的火
用品:蒸发皿、玻棒、镊子、纸。
二硫化碳、四氯化碳。
原理:二硫化碳是容易燃烧的液体,但四氯化碳却不能燃烧。二硫化碳燃烧生成二氧化碳和二氧化硫,同时放热。
因有四氯化碳在里面,四氯化碳大量挥发时带走了不少热量,因此火焰的温度被降低而达不到纸的着火点。
操作:在蒸发皿中倒入6毫升二硫化碳和16毫升四氯化碳,搅拌均匀。用火点燃后,可以看到淡蓝色的火焰。这时用镊子夹一张普通的纸放在火焰上,纸却烧不着。
(二十七)火能写字作画
用品:白纸两张、毛笔、大头针、香、酒精灯。
30%硝酸钾溶液、3摩/升硫酸。
原理:硝酸钾受热时分解出氧气,使纸燃烧。但由于燃烧时产生的热量不大,所以没有涂硝酸钾的纸不会烧着。
3摩/升稀硫酸在烘烤时由于水分蒸发而变成浓硫酸。浓硫酸有脱水性,使纸碳化,现出画来。
操作:
1.用毛笔蘸30%硝酸钾溶液在白纸上写字,字要大,笔画要简单些,笔迹要连结在一起,在起笔处用大头针戳个小孔作记号,然后晾干。
表演时,用香火在每个字的针孔处点燃,于是火就顺着笔画写出空心字来。
2.用洗净的毛笔蘸硫酸在白纸上作画,阴干后看不出画迹。表演时,把白纸小心地放在火上烘烤,于是逐渐现出墨笔画来。
(二十八)滴水生烟
用品:研钵、坩埚、滴管。
碘片、铝粉。
原理:碘和铝在常温下不发生反应。加水催化剂后,反应便立即发生。反应放出的热使水变为水蒸气,它和碘蒸气和白色的碘化铝在一起形成大量的橙色烟雾。烟雾中混杂着碘升华美丽的紫色蒸气。
操作:取3克碘片放在干燥的研钵内研细,再加入0.2克铝粉。把它们混和均匀后,移入坩埚并堆成小丘,在丘顶上压一小坑。用滴管往小坑内滴1~2滴水。碘和铝立即发生剧烈反应,发光发热,同时产生浓厚的棕色烟雾,烟雾中夹杂着美丽的紫色碘蒸气。
(二十九)杯中烈烟
用品:600毫升烧杯、小量筒、滴管、蒸发皿。
砂、浓硫酸(密度1.84克/毫升)、浓硝酸(密度1.4克/毫升)、松节油。
原理:浓硝酸和浓硫酸的混和液具有强烈的氧化作用。松节油为易燃物,跟混和酸一接触就被氧化放出大量的热,使松节油燃烧,但燃烧不完全析出大量的碳形成黑烟。
操作:在600毫升烧杯底部放1厘米厚细砂。取一个蒸发皿,向蒸发皿内注入5毫升浓硝酸和5毫升浓硫酸,轻摇使混和均匀,然后把蒸发皿放在烧杯里的砂上。用滴管吸取少量松节油逐滴滴入混和酸中,一滴一蓬火,一股烈烟。
Ⅱ 在做“探究水的沸腾”实验时,实验装置图如图所示:(1)图中硬纸板上小孔的作用是使烧杯内外的______;
(1)因为水的沸点与气压有关,所以图中硬纸板上小孔的作用是使烧杯内内外的气压相等;
(2)该实验需要记录温度和时间,所以需要的主要测量仪器有温度计和钟表;
(3)由图象可知水的沸点为100℃,高于酒精的沸点,低于水银的沸点,因此选择水温度计测量水的沸点;
(4)分析图象可知同一物质,与相同温度达到相同温度,需要的时间不同,原因是所用质量不同;分析图象可知水沸腾的条件是:达到沸点,不断吸热;
(5)纸板内侧大量的水珠是由于水蒸气遇冷液化形成的;
(6)实验中为减少从开始加热到沸腾所用的时间,可以减少水的质量、提高水的初温.
故答案为:(1)气压相等;(容2)钟表;(3)水银;(4)质量;达到沸点并继续吸热;(5)液化;(6)减少水的质量等;
Ⅲ (2012丹东)在做“探究水的沸腾”实验时,实验装置图如图所示:(1)图中硬纸板上小孔的作用是使烧杯内
(1)因为水的沸点与气压有关,所以图中硬纸板上小孔的作用是使烧杯内外的气压相等版;
(2)该权实验需要记录温度和时间,所以需要的主要测量仪器有温度计和钟表;
(3)由表格中数据可知水从第4min时处于沸腾状态,保持温度不变,故沸点为98℃;
(4)分析图象可知同一物质,与相同温度达到相同温度,需要的时间不同,原因是所用质量不同;分析图象可知水沸腾的条件是:达到沸点,不断吸热;
(5)纸板内侧大量的水珠是由于水蒸气遇冷液化形成的;
(6)A中温度没有保持不变的阶段,而B、D中虽然有温度保持不变的阶段,但是之前温度保持不变,后又上升温度不定,所以正确的是C.
故答案为:(1)气压;(2)钟表;(3)98;(4)达到沸点并继续吸热;(5)液化;(6)C.
Ⅳ 简单的科学小实验
【带电的报纸 】 思考:不用胶水、胶布等粘合的东西,报纸就能贴在墙上掉不下来。你知道这是为什么吗? 材料:1支铅笔;1张报纸。 步骤: 1. 展开报纸,把报纸平铺在墙上。 2. 用铅笔的侧面迅速地在报纸上摩擦几下后,报纸就像粘在墙上一样掉不下来了。 3. 掀起报纸的一角,然后松手,被掀起的角会被墙壁吸回去。 4. 把报纸慢慢地从墙上揭下来,注意倾听静电的声音。 说明: 1. 摩擦铅笔,使报纸带电。 2. 带电的报纸被吸到了墙。 3. 当屋子里的空气干燥(尤其是在冬天),如果你把报纸从墙上揭下来,就会听到静电的劈啪声。 创造:请试一试,还有什么物品能不用粘和剂,而用静电粘在墙上 【胡椒粉与盐巴的分离 】 思考:不小心将厨房的佐料:胡椒粉与盐巴混在了一起,用什么方法将他们分离开呢? 材料:胡椒粉、盐巴、塑料汤勺、小盘子 操作: 1、将盐巴与胡椒粉相混在一起。 2、用筷子搅拌均匀。 3、塑料汤勺在衣服上摩擦后放在盐巴与胡椒粉的上方。 4、胡椒粉先粘附在汤勺上。 5、将塑料汤勺稍微向下移动一下。 6、盐巴后粘附在汤勺上。 讲解: 胡椒粉比盐巴早被静电吸附的原因,是因为它的重量比盐巴轻。 创造: 你能用这种方法将其他混合的原料分离吗?
Ⅳ 有哪些实验
一、 简单神奇的冷水实验
把一瓶纯净水放进预先设定好的冰箱中。等待几个小时后拿出,水还是液态的。但是你只要轻轻的敲打瓶身,或者把手指放入水中,便会马上结冰。
二、扎不破的塑料袋
将塑料袋装满水,用竹签或削好的铅笔迅速刺穿,水不会漏出来。
原理:塑料袋扎不破其实是由密封塑料袋的材质决定的。塑料袋的主要材料是高分子聚合物,具有软度高,拉伸度强的特点。在它们被戳穿的瞬间摩擦生热迅速包裹住竹签或铅笔,因此能保持滴水不漏。
三、 神奇的牙签
1. 把牙签小心地放在水面上.。
2. 把方糖放入水盆中离牙签较远的地方.牙签会向方糖方向移动。
3. 换一盆水,把牙签小心地放在水面上,现在把肥皂放入水盆中离牙签较近的地方.牙签会远离肥皂。
原理:当你把方糖放入水盆的中心时,方糖会吸收一些水分,所以会有很小的水流往方糖的方向流,而牙签也跟着水流移动.但是,当你把肥皂投入水盆中时,水盆边的表面张力比较强,所以会把牙签向外拉。
四、 有孔的纸能拖住水吗
1、在空瓶内盛满有色水。
2、用大头针在白纸上扎许多孔。
3、把有孔纸片盖住瓶口。
4、用手压着纸片,将瓶倒转,使瓶口朝下。
5、将手轻轻移开,纸片纹丝不动地盖住瓶口,而且水也未从孔中流出来。
原理:薄纸片能托起瓶中的水,是因为大气压强作用于纸片上,产生了向上的托力.小孔不会漏出水来,是因为水有表面张力,水在纸的表面形成水的薄膜,使水不会漏出来.这如同布做的雨伞,布虽然有很多小孔,仍然不会漏雨一样。
五、烧不坏的手帕
把棉手帕放入用酒精与水以1:1配成的溶液里浸透,然后轻挤,用两只坩埚钳分别夹住手帕两角,放到火上点燃,等火焰减小时迅速摇动手帕,使火焰熄灭,这是会发现手帕依旧完好如初。
原理:燃烧时,酒精的火焰在水层外,吸附在纤维空隙里的水分吸收燃烧热而蒸发,手帕上的温度达不到纤维的着火点,因而手帕烧不坏。
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Ⅵ 可以动手做的科学小实验 !!!马上要
制造明矾晶体
二、原理
日常生活中,随处可见被抛弃的饮料罐,除了塑胶制品外,金属罐中以铁、铝制者较多。铝罐若任其自然分解(反应),约需一百年的时间才能完全分解,是一种不易被分解的废弃物。
铝元素(Al, Aluminum, 原子量=26.9815)约在1825年被科学家发现,直到1886年,才发展出利用电解法大量生产的工业技术。在此之前(如法国的拿破仑时代),铝金属曾经比等重的黄金还要贵,不像现在是“用完就丢”,一点都不觉得该珍惜。
虽然铝是地壳中含量高居第三位的元素(约占地壳的8.2 %,仅次於氧、矽),世界上每年的年产量超过千万吨,但这并不代表其可以取之不尽,用之不竭。而且在铝的生产、冶炼过程中,由原料铝矾土(bauxite,主要含A12O3)的精炼,电解,到铝的电解精炼(得到99.90 %以上的纯度),都需要消耗许多原料及资源。其中单是电能方面,每生产一公斤的精炼铝,就需约33度(33kW-hr)的电力;每制造一个铝罐(375 ml容量),即需约18公克的铝金属。
基於所有天然资源都有取尽用竭的事实,我们有义务将废弃物中,可以再回收、利用的部份,尽力地回收,以免后代子孙无资源可用,并可降低对「地球村」的危害。
铝罐的回收,除了最有经济效益,用於直接生产「再制铝」之外,我们还可以运用化学方法,制成一些有用的产品,明矾(Alum)就是其中之一。
铝是活泼的金属,但与稀酸液的反应缓慢,因其表面会产生一层致密的氧化膜,阻止内部的金属铝缝续反应;强碱性溶液则可溶解这层氧化膜,并进一步与内部的铝反应。过量的碱性溶液与铝片反应,会产生氢气及可溶性的Al(OH)4-胶体,反应式如下:
(1-1)
此溶液刚加入酸时,可以移去一个OH-,产生白绒毛状的氢氧化铝[A1(OH)3]沈淀(在水质净化时,此白绒毛状胶体,可用於吸附杂质,使水变得澄清。):
(1-2)
若溶液继续加酸,则A1(OH)3可被溶解,形成A13+ (在水溶液中,A13+是以水合铝离子,[A1(H2O)63+] 的八面体形式存在)。
若再将碱液加入含A1(OH)3沈淀的水溶液中,则再产生可溶的Al(OH)4-。像Al(OH)3这样,能分别与酸及碱反应的物质,称为两性物质(amphoteric substances)。其它常见的例子有Sb(OH)3、Zn(OH)2、Sn(OH)4、Ti(OH)4 …等。
明矾(Alum)是一系列离子化合物的统称,其简式可写成MMIII(SO4)2.12H2O,或是(MIII)2(SO4)3.(M)2SO4.24H2O]; 其中M为一价阳离子(如K+,NH4+,Na+),MIII为三价阳离子(如A13+,Fe3+,Cr3+)。明矾中的12个结晶水,一般认为其中6个H2O分子是与MIII紧密结合,另外6个H2O分子则与M及硫酸根呈较弱(松)的结合状态,在较低温时(约64.5℃),即可能部分脱水。
明矾的种类很多,用途也很广泛。本实验使用的碱是KOH,酸则为H2SO4,因此M = K,MIII =Al。当条件合适时(最重要的因素是:必须形成过饱和溶液),可形成无色透明的钾矾结晶(硫酸铝钾,Aluminum Potassium Sulfate,KA1(SO4)2.12H2O)。
结晶体的大小,与其结晶时的操作条件有绝对关系。若是使用冰浴法,快速取得产物时,大都只能获得极细的微晶粒,类似精盐状。若想获致较完整的漂亮大结晶,就需运用再结晶法,在洁净且合适的条件下,缓缓养晶,约隔三至七天,就有机会看到漂亮的钾矾结晶。钾矾是最常见的明矾,主要用於水质净化、染色、造纸及食品添加剂…¨等用途。
这个实验的反应式(依实验顺序)统整如下:
(A).铝片与KOH 溶液反应:
(1-3)
(B).溶液刚加入H2SO4时:
(1-4)
(C).溶液继续加入H2SO4之后:
(1-5)
(D)明矾结晶的形成(冰浴之后:
(1-6)
三、器材
减压过滤装置 1套
剪刀 1支
砂布 1小张
烧 杯 100 ml 2个
烧 杯 500 ml 1个
加热器 1台
四、药品
铝片(由废铝罐剪下) 约0.2 g
KOH 1.5 M 9 ml
H2SO4 9 M 约4 ml
酒精水溶液(1:1 混合液) 5 ml
冰块 约半杯
五、实验步骤:
1. 请自备一个废弃铝罐。(请小心,不要错将铁罐当铝罐!如何区别?)
2. 将铝罐剪开,裁出一片约8 cm (L) X 5 cm (W) 大小的铝片。用砂纸磨去表面的油漆,颜料及透明塑胶内衬(必要时,请戴上棉纱手套保护手部)。
3. 将磨光后的铝片剪成约0.5 cm X 0.5 cm的小片,置於称量纸上,称取约0.2 g的铝片,纪录重量时,应精确纪录至0.001 g。
4. 把剪好,称妥的小铝片放在100 ml的烧杯中,小心加入9 ml的1.5 M KOH溶液(请事先戴上乳胶制安全手套,以资保护);将烧杯放在加热器上缓缓加热(以温度计测量,约70°C即可,小心控温),以加速反应进行。由於反应会产生氢气,而氢与空气混合后(约4 ~ 75 %的浓度),在高温下易爆燃(点火温度585 ℃),因此需小心操作,且不可有裸火或点火,如此可避免发生危险。
5. 反应进行中,应适时控温,约70°C即可,以免溶液发生突沸,造成烫伤等危害。若溶液由无色变成灰黑色,则可能是因油漆或塑胶未磨除乾净所致,不会影响结果。铝片在反应过程中,可能出现周期性的上升下降的现象,请仔细观察,并思考、探讨可能的成因。
6. 加热约20分钟后,氢气不再产生时,代表反应结束(此时溶液约为原溶液的3/4)。立即用抽气过滤装置,过滤此热溶液。再利用少量(约1~2 m1)的去离子水,分两次润洗烧杯并过滤(应避免使用太多的水,以免无法形成饱和溶液)。收取澄清滤液,舍去残留滤纸上的固体,分别记录两者的颜色。
7. 将澄清滤液(可能呈淡黄色),倒入另一个100 ml烧杯中,以少量去离子水润洗过滤瓶,并入滤液中。待滤液冷却后,一边搅拌,一边将4 ml的9 M H2SO4溶液,小心、缓慢加入此滤液中,其间应注意观察及记录所发生的变化,并与相关反应方程式互为印证。搅拌至溶液呈澄清状,且无白色固态絮状物残留为止。(必要时可再加热以溶解固态絮状物。)
8. 若要在当天取得结晶物(而非以约一周时间,缓慢地养成明矾大结晶),则需将装产物的烧杯置於冰浴中(在500 ml烧杯中放入半量冰块,再加入恰好盖满冰块的水),使溶液发生过饱和,形成明矾结晶并析出。冰浴约20分钟后,结晶大概会完成。
9. 再次利用抽气过滤装置收集产物,应是纯白色的结晶。取5 ml的酒精水溶液,先取一半润洗装滤液的烧杯,润洗液倒入漏斗内,再过滤。另一半用於清洗漏斗内的产物。用玻棒将产物平铺在白瓷漏斗上,持续抽气10分钟。当产物乾燥后,移到表玻璃上,称重并计算粗产率。(过滤之前,表玻璃应先称重,才能得到明矾结晶的重量。)
10. 再结晶:将收集到的明矾产物(应是纯白色的细小结晶,否则需再纯化!),放入一个以洁净的100 ml烧杯中,依明矾结晶的重量及水温(明矾的溶解度,在20 ℃时约为:11.4 g / 100 ml 水),估算合适的去离子水量,期使明矾结晶恰可完全溶解,形成接近饱和溶液的情况;切忌加入过多的水量,令隔周之后,仍看不到较完整的漂亮大结晶。
Ⅶ 科学实验
科学实验
scientific experiment
包含步骤
科学的方法应该包括六个重要步骤:
1.观察:观察即对事实和事件的详细记录
2.对问题进行定义:定义是有确切程序可操作的
3.提出假设:对一种事物或一种关系的暂时性解释
4.收集证据和检验假设:一方面要能提供假设所需的客观条件,一方面要找到方法来测量相关参数
5.发表研究结果:科学信息必须公开,真正的科学关注的是解决问题
6.建构理论。孤立的问题无法建立理论,科学的理论是可以被证伪的
编辑本段
科学实验
一、科学实验及其特点
科学实验是观察的一种形式。由于科学实验在经验自然科学研究中具有特殊重要的地位,因此,需要对科学实验单独加以论述。
当人们不满足在自然条件下去观察对象,要求对被研究对象进行积极的干预时,这就导致科学实验的产生。
在古代社会,科学实验就已在人们探索自然界奥秘的过程中逐步酝酿产生。但是那时的实验还只是以原始朴素形式出现,它还没有成为一种独立的社会实践活动形式。严格意义上的科学实验是从近代开始的。实验方法的运用成为近代自然科学的主要特点。这种情况之所以在近代出现,根本原因在于工业生产在这时得到了长足的发展。恩格斯说:“从十字军远征以来,工业有了巨大的发展,并产生了很多力学上的(纺织、钟表制造、磨坊)、化学上的(染色、冶金、酿酒)、以及物理学上的(眼镜)新事实,这些事实不但提供了大量可供观察的材料,而且自身也提供了和已往完全不同的实验手段,并使新的工具的制造成为可能。可以说,真正有系统的实验科学,这时候才第一次成为可能。”(《马克思恩格斯选集》 第3 卷人民出版社1972年版,第523-524页)从近代到现代,科学实验经历了很大发展,科学实验的社会性也逐步提高。到了1940年代以后,科学实验的规模愈来愈大。科学实验再也不是科学家个人的事业,而成为整个社会事业的一个有机部分。
科学实验之所以受到人们的重视,之所以能比自然观察优越,这是和科学实验本身的特点密切相关的。
具有纯化观察对象的条件的作用
自然界的对象和现象是处在错综复杂的普遍联系中的,其内部又包含着各种各样的因素。因此,任何一个具体的对象,都是多祥性的统一。这种情况带来了认识上的困难,因为对象的某些特性或者是被掩盖了起来,或者受到其他因素的干扰,以致对象的某些特性,或者是人们不容易认识清楚,或者是通常情况下根本就不能察觉到。而在科学实验中,人们则可以利用各种实验手段,对研究对象进行各种的人工变革和控制,使其摆脱各种偶然因素的干扰,这样被研究对象的特性就能以纯粹的本来面目而暴露出来。人们就能获得被研究对象在自然状态下难以被观察到的特性。例如,肉汤腐败这个常见的现象究竟是什么原因引起的?巴斯德认为煮沸的肉汤后来又变质,这是由于空气中的微生物进入肉汤造成的结果。但是,在自然的条件下,肉汤总要接触空气,而空气中又必然会有无数尘埃,尘埃上则携着微生物。所以在自然条件下,要使空气中的微生物不进入肉汤里是不可能的。于是,巴斯德就求助于实验的纯化作用。他设计了一种曲颈瓶,把肉汤注入瓶内并加热杀菌。由于瓶子是曲颈的,它使外界空气中的尘埃很不容易进入瓶内。结果肉汤并不腐败。这就是通过一定的实验手段,排除了空气中的微生物对肉汤的作用,观察到了肉汤在比较纯粹的状态下是不会腐败的。
具有强化观察对象的条件的作用
在科学实验中,人们可以利用各种实验手段,创造出在地球表面的自然状态下无法出现的或几乎无法出现的特殊条件,如超高温、超高压、超低温、超真空等等。在这种强化了的特殊条件下,人们遇到了许多前所未知的在自然状态中不不能或不易遇到的新现象,使人们发现了许多具有重大意义的新事实。例如,人们能通过一定实验手段,造成接近绝对零度的超低温,从而使我们能把几乎所有的气体液化。在这种超低温下,人们也能发现某些材料具有特殊优良的导电性能,即具有无电阻、抗磁等超导态特性。
具有可重复的性质
在自然条件下发生的现象,往往是一去不复返的,因此无法对其反复地观察。在科学实验中,人们可以通过一定实验手段使被观察对象重复出现,这样,既有利于人们长期进行观察研究,又有利于人们进行反复比较观察,对以往的实验结果加以核对。例如,英国化学家普利斯特列在1774 年用聚光镜加热汞的化物而分解出一种气体,它比空气的助燃性要强好多倍。普利斯特列把这种气体称之为失燃气体。当普利斯特列把这个消息告诉法国科学家拉瓦锡后,拉瓦锡马上动手重复了这个实验,使他终于发现加热氧化汞而分解出来的能助燃的气体不是别的,而是氧气。
正是由于科学实验具有这些特点,因此科学实验越来越广泛地被应用,并且在现代科学中占有越来越重要的地位。在现代科学中,人们需要解决的研究课题日益复杂,日益多样,使得科学实验的形式也不断丰富和多样。
编辑本段
科学实验的分类和构成
目前,人们对利实验类型的分类,还缺少较系统的研究。我们也只是粗略地介绍以下两种分类:
按照实验的目的不同,可以把科学实验分为定性实验、定量实验和结构分析实验。定性实验是用以判定某种因素、性质是否存在的实验。定量实验是用以测定某种数值或数量间关系的实验。结构分析实验是用以了解被研究对象内部各种成份之间空间结构的实验。
根据实脸手段(仪器、设备工具等)是否直接作用于被研究为标准,实验可分为直接实验和模型实验。直接实脸就是实验手段直接作用于被研究对象的实验。模型实验就是根据相似原理,用模型来代替被研究对象,即代替原型,实验手段则直接作用于模型而不是原型的一种实验。在现代自然科学中,模型已不限于与原型具有同样物理性质的物理模型,而是又发展出数学模型、控制论模型等等。数学摸型是建立在模型和原型的数学形式相似的基础上。控制论模型是建立在控制功能的相似性基础上的。因此,人们就可以在具有不同运动形式的对象之间进行模拟实验。
无论何种类型的科学实验,它们都是由三个部分构成的。
第一,实验者。这是组织、设计和进行科学实验的人。实验目的的确定,实验方案的设计、实验步骤的制定、实验过程的操作、实验结果的处理解释等,没有一个环节可以脱离实验者。实验者是实验活动的主体。实验者从事科学实验是为了取得对自然界特定对象的认识。因此,从认识论上看,实验者又是认识的主体。没有实验者这个认识主体,科学实验就不会发生。不过在此需要指出的是,不能把实验者理解为孤立的个人。在任何情况下。实验者都不是作为孤立的个人在活动,而是作为社会的人在活动。实验者继承着前辈们所已经建树起来的积极成果,也借鉴着同时代的成功经验与失败教训,同时还依赖着人们之间进行的各方面的协作劳动。因此,实验者所取得的任何一点有益成果,都将融汇到社会精神财富的总体中去。这样说,并不是要否认实验者个人的创造能力,而是说这种创造能力只有不脱离社会这个基础时才能得到发挥。
第二,实验对象。这是实验者所要认识的对象。实验对象可以是自然界的物体及其现象,例如太阳光,也可以是人们生产出来的物体及其现象,例如机床、布匹。但是,不管何种种实验对象,它既是实验者进行变革和控制的对象,又是实验者的认识对象。因此,从认识论上看。实验对象是处于认识客体的地位。
第三,实验手段。实验手段是由实验的仪器、工具、设备等客观物质条件组成,实验仪器是其中的主要成分。实验手段的作用主要表现在两个方面:一方面是实验者通过实验手段把自己变革和控制实验对象的意图传递给实验对象,使实验者的意图得到物化。另一方面,实验手段又显示实验对象的特性,而把实验对象在经受变革与控制后呈现的状态传递给实验者,使实验者能够获得关于实验对象的有关认识。所以,实验手段是实验者和实验对象之间的中介环节。没有适当的实验手段,实验对象的某些特性就不能暴露出来,人们就不能获得对这些特性的认识。在这个意义上,实验手段的状况,决定着科学实验所能达到的认识水平。实验手段的每一步改进,都意味着人们对实验对象的可观察量的增加,意味着科学实验水平的提高。从科学史上可以看出,新的实验手段的采用,往往会带来科学理论上的重大突破和发展。因此,有意识地改进实验手段是一项具有战略意义的措施。但是,一个时代的实验手段又是那个时代生产力水平的具体表现,为当时的生产力发展状况所制约。因此,实验手段的改进,新实验手段的装备,只有伴随着整个社会生产力水平的提高才能实现。
模型实验产生以后,人们用模型来代替原型进行实验。那么模型在科学实验的结构中是属于哪一部分?在科学实验中,模型具有双重的性质。就模型是实验者运用实验手段而对之进行实际的变革和控制的对象来说,模型是实验对象。实验者是对模型进行各种实验,从而取得关于模型的各种认识。但就模型只是原型的替代物,实验者的真正目的是要获取关于原型的认识这一点来说,实验的真正认识对象是原型,而模型则不过仍然是实验者所运用的实验手段。这是一种扩展了的手段。也许正是由于模型的这种双重性质,使它在科学实验中占有特殊重要的地位。
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科学实验的程序
如何从事科学实验呢?科学实验的程序是怎么样呢?
科学实验的准备阶段
(一)科学实验过[1]程的第一个阶段,可以叫做实验的准备阶段。
一项科学实验的价值,它的成功或失败,很大程度上取决于科学实验的准备阶段。在这一阶段,人们需要进行四项工作。其中的每项工作,都不能离开理论的运用,不能离开逻辑思维活动。
1.确立实验目的。这是为了明确我们为什么而进行实验。例如,迈克尔逊和莫雷关于光的干涉实验,其目的就在于检验当时流行的以太理论是否正确。这个目的的实现,对于推动物理学的发展有着十分重要的作用。确定实验目的是一个理论的逻辑演绎的过程。
2.明确指导实验设计的理论。在确立实验目的之后,并不能马上着手设计实验,而是要先明确以什么理论来指导实验的设计。这种指导性理论,就是启发实验者应采用什么方法并从什么方向上去实现已确立的目的。没有这一步骤,就不能从实验目的过渡到具体的实际设计上去。例如,恩格斯早就提出生命是通过化学进化的途径产生的。在恩格斯之后,很多科学家都想用实验来检验恩格斯的论断。但在很长一段时间里,人们始终不能进入具体的实验设计。其原因就在于实验设计所依据的指导性理论还不具备,人们还不知从何处着手去设计这种实验。也就是说,在实验目的和具体实验设计之间还缺少一个把两者联系起来的中间环节。进入20世纪后,人们才提出了一个理论:在原始的不同于今天的大气条件下,在漫长的岁月里,非生命物质可以转化为生命。以后,海登又提出了原始大气和原始汤液的概念。这些理论相继提出之后,实验设计就有了依据,有了方向。人们就可以根据这些理论进一步作出逻辑推理:假定我们模拟了原始地球的大气成分,并创造相应的条件,那么就可以进行模拟原始地球时期使无机物转化为生命所必需的有机物的实验。1953 年米勒的实验就是依据这种指导性理论而进行设计并取得成功的。指导性理论不仅关系到一个实验目的应从何处着手实现的问题,而且还直接影响到实验设计的成效。
3.着手实验设计。马克思说:“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到渐愧。但是,最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方,是他在用蜂蜡建筑蜂房以前,已经在自己的头脑中把它建成了。劳动过程结束时得到的结果,在这个过程开始时就已经在劳动者的表象中存在着,即已经观念地存在着。”(《马克思恩格斯全集》第23 卷,人民出版社1972年版,第202 页)这就是说,人们在实际行动之前,要先考虑到自己在未来应如何行动,采取哪些步骤,每步行动可能带来什么结果,假如某些条件突然改变了,将发生什么影响等等问题。科学实验是人们为了认识自然界而进行的一种变革自然界对象的社会实践活动。人们当然更要在采取具体实验行动之前,先在思维中以观念形态大致完成这个变革的行动过程。哪些干扰因素应设法排除,哪些次要因素要暂时撇开,这一切都应在实验设计中给以考虑。实验设计的任务,就是为了在实施实验之前,先把这个实验在自己的观念中完成。
实验设计是运用一定理论进行逻辑推论的过程。实验设计的优劣很大程度上取决于设计过程中的逻辑思维是否严密。比如,在实验设计中,要细致思考到,在实验的实施中可能会有哪些偶然性因素发生,这些偶然性因素会对实验效应带来什么影响。拿某种药物效应的实验来说,在实验设计时就要考虑到,如果病人知道了是在做药物效应的实验,那么他的心理反映就可能影响到生理上,从而使实验发生偏差,如果某医生知道了哪些病人属实验组,哪些病人属对照组,那么他的心理反应也可能会影响到诊断上,从而使实验发生偏差。因此,在实验设计中就要采取相应的严格措施,以消除这种偶然因素对实验效应的影响。这些思考过程,都是运用一定理论而进行的逻辑分析和逻辑推理的过程。
当然,在实验设计中还有许多具体的工艺和技术方面的问题。但是贯穿实验设计的一根主线,则是运用一定理论而进行的逻辑推论。相应的工艺和技术问题也只有在一定逻辑思维基础上,才能联结成为一个完整的设计。
4.实验仪器、设备、材料的准备。人们往住把实验仪器、设备、材料的准备,当作是一种纯物质的活动。其实,每一种仪器都是以某种或某些理论为依据而进行设计和制造的。例如,伽利略、托里拆里等人使用的温度计,就是根据液体和气体与“受热程度”按比例膨胀的假定而制作的。1878 年国际度量衡委员会关于标准温度计的决议则作如下规定:“温度应当用化学上纯的氢在定容情况下的压力来测量,它在冰的熔解点时的压力为1000 毫米水银柱高”。所以,每采取一种仪器,实际上就意味着引进了一些理论。材料的选用也是根据一定的理论进行的。例如,孟德尔选择豌豆作为实验材料,就是因为豌豆有严格的自花授粉,易于栽培,生长期短,有明显的可区分性状等特点。离开了一定的理论和逻辑思维,实验仪器、设备、材料的准备工作就无法进行。
科学实验的实施阶段
(二)科学实验的第二个阶段,可以叫做实验的实施阶段。这个阶段就是实验者操作一定的仪器设备使其作用于实验对象,以取得某种实验效应和数据。仪器设备与实验对象的相互作用是不依人的意志为转移的合乎规律的表现。因此,这个阶段的活动是—种客观的物质活动。作为客观的感性物质活动的实验实施过程正是对人们已有认识的检验,也是提供了给人们认识的新事实。
科学实验的试验结果处理阶段
(三)科学实验的第三个阶段,可以叫做实验结果的处理阶段。
在这—阶段上,人们对实验结果进行分析。因为尽管人们在实验设计中作了周密考虑,但在实验的实施过程,仍会有一些事前没估计到的主客观因素影响到实验结果。所谓客观因素主要是指实验仪器设备的偶然变化,实验初始条件、环境条件的偶然变化、实验材料在品种规格上的某些差异等等。所谓主观因素主要是指,在实验设计时,遗漏了对一些可能产生的系统误差的考虑,在读取数据时,感官上造成的偏差,等等。这些因素造成的影响是混合在一起的。因此,人们就必须对实验最初所呈现出来的结果作出分析,以区分什么是应该消除的误差,什么是实验应有的结果。
在科学实验中,人们变革着客观的物质对象,这就使它和人们的生产活动有相同的方面。因为生产活动作为人们能动地改造客观世界的活动,也是一种变革物质对象的活动。正是由于这一点,科学实验也和生产活动一样,属于改造客观世界的实践活动的范畴,成为实践的一种基本形式。但是科学实验和生产活动又有区别。首先,它们的直接目的不同。科学实验的直接目的在于解决一定的科学研究任务。生产活动的直接目的在于提供人们生活和再生产所需要的物质财富。其次,它们产生的结果不同。科学实验产生的结果是人们获得了对事实的认识,是检验一定的理论。而生产活动产生的结果,则是使人们获得了所需要的产品。当然,这种区别不是绝对的。尤其是在现代,科学实验和生产活动已经明显地互相渗透。生产的发展为科学实验提供了前提和条件,科学实验则为发展生产指明方向、开辟道路。不仅如此,很多科学实验直接解决生产中的问题,成为生产活动的一部分,而很多生产活动又带有科学实验的性质,它在生产物质产品的同时矛也解答了某些科学研究的课题。关于科学实验与生产活动的互相关系问题,这是科学社会学研究的一个重要课题。
实验法是指经过特别安排,在人为控制下确定事物相互关系的研究方法。实验法是自然科学研究领域最早被人们普遍使用的研究方法之一,是近代自然科学建立的基础,以致国外有的学者竟认为,研究(research)就是实验、实验、再实验,反复(re)寻找(search)的过程。达·芬奇、伽利略、牛顿等人都充分利用实验方法做出了巨大的科学成就。
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实验方法的特点
一是实验法可以简化和纯化研究对象
实验方法可以利用科学仪器和设备所造成的条件,根据研究目的,突出研究对象的主要因素,排除次要因素、偶然因素以及外界的干扰,使要认识的事物的某些属性在特定的状态下显示出来,从而能更准确地认识事物的本质和规律。如1799年英国物理学家亨利·戴维把实验仪器保持在水的冰点,排除了实验物品和周围环境的热交换,证明冰融化所需要的热来自于磨擦,否定了当时占统治地位的“热素说”。
二是实验法可以强化、弱化研究对象
许多事物在常态下并不能充分暴露其本质,利用实验可以创造出自然界中不可能出现的环境,从而更好地认识研究对象。如1911年荷兰科学家昂尼斯把汞的温度降到O'C以下时,发现汞的电阻突然消失,变成了所谓的超导体,并由此打开了超导研究的大门。美籍科学家吴健雄让钴-60处于超低温这一极端状态,成功地验证了弱相互作用下宇称不守恒这一假设。
三是实验方法可以加速、延缓、再现、模拟自然过程 自然界中许多事物有的转瞬即逝,有的旷日持久,有的事过境迁,给人们认识某些事物带来了困难。而实验方法可以在人为的控制下,根据研究的需要来改变自然界中事物的状态。1953年美国科学家米勒进行地球大气及闪电的实验,他仿照地球雷电交加的自然条件,对放入真空管中的各种气体进行火花放电。经过八天的反复作用,最后得到了五种构成蛋白质和重要氨基酸,而这个过程在自然状态下要经过上亿年。
任何一个实验都包括实验者、实验仪器和实验对象三个基本的组成部分。但是,从不同的角度可以把实验方法分为不同的类型:根据实验对象性质的多样性,可以分为物理实验、化学实验、生命实验、人体实验等;从实验手段和条件,可以分为直接实验和间接实验、野外实验和实验室实验等;根据实验者的预定目的,可分为定性实验、定量实验、测量实验、析因实验、对照实验、验证性实验、判定性实验、中间实验等;根据实验对象的透明度,可以分为黑箱实验、灰箱实验、白箱实验等。
研究者应充分利用实验方法来研究特定的事物,但是必须懂得实验方法的局限性,如实验不能代替理论研究;实验总是特殊的,特殊的结果与普遍的理论之间总是有距离的;实验只能是在有限的范围内进行,许多问题是无法通过实验进行研究的。
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实验方法有以下的使用原则
(1)应熟练掌握与实验课题有关的理论和经验。 实验方法是在人为的控制下对研究对象进行研究的一个过程,所以要精心设计实验方案。在设计实验方案和进行具体实验的过程中,离不开理论的指导和前人经验的积累。实验者只有具备必要的理论知识和实验技能,才能对实验中出现的新事物有敏锐的观察力,当事物表现超出原来的理论框架时,能够及时加以捕捉,并发现其本质。
(2)应事先提出假说或需要检验的观点、理论等。 实验在科学研究中主要有两种目的:一是探索和发现新现象或新规律;二是检验已有知识或理论的正确性。
1902年到1907年,德国化学家费舍尔对蛋白质的化学结论进行深入研究,提出了蛋白质的肽键理论,然后在实验中合成了18个氨基酸的多肽长链,从而验证了其反映蛋白质结构理论的正确性。
(3)应精心设计,严密组织。
俗话说,“知己知彼才能百战不殆”。对所要做的实验,必须精心设计,严密组织,做到心中有数,这样才能使成功率更大。根据一定的理论,结合具体的研究对象,可以采取不同的研究方式。如泰勒通过精心设计和严密组织,利用搬运铁块实验、铁砂和煤炭的挖掘实验、金属切削实验等,提出了科学管理的方法。
(4)应选择好实验环境,准备好实验工具。
实验环境对于实验的成功与否有很大关系,如在对天体进行观察时,要选择天气很好的时候,才能取得理想的效果。
俗话说“磨刀不误砍柴工”,实验工具是实验取得成效很关键的一个方面。它的状况决定着实验能达到的认识水平。如没有高分辨率的光谱食品,就无法认识原子光谱的精细结构。丁肇中正是由于不断把实验的精度提高,最终发现了丁粒子。
(5)应保持受实验者的常规状态。
不论研究对象是自然界中的事物,还是人类自己,为了保持实验结果的客观性,要尽量保持受验者的常规状态。只有在常态下,事物或人所表现出来的才是其真实的情况。在保持正常状态下,通过改善工作条件和环境等因素,梅奥通过照明实验、福利实验、电话线圈装配实验、访谈实验等提出了以人为本的管理思想。
(6)应能有效地控制影响实验的各种因素。
在实验过程中,要根据研究目的来尽量控制实验中的各种因素。要突出主要因素,排除次要因素、偶然因素以及外界的干扰,从而能更准确地认识事物的本质规律。伽利略的落体实验、斜面实验和单摆实验都是在突出主要因素、排除次要因素的条件下获得成功的。
(7)应仔细观察,尽可能得到精确的数据。
在科技史上,当某些重大发现公布之后,经常使一些科学家后悔莫及,因为他们也曾见到过类似现象,但由于未加注意而失去了发现的大好良机。法国的约里奥·居里在用。粒子轰击铍时打出了中子,但他没有留心而误认为是Y粒子,让它溜走了。后来,查德威克证明了不是γ射线而是中子,获得了诺贝尔物理学奖。可见,在科学实验过程中只有仔细观察,才能得到理想的结果。
(8)应从小到大、反复多次进行实验。
一般说来,在做深入的大规模的实验前,先要做一些探索性的试实验,先简单后复杂,这样可以为以后的实验工作积累相关的信息和思路。实验要注意其可重复性。只有多次重复,才能表明其成果是可以让大家认可的。1959年美国物理学家韦伯曾宣布,他的实验装置已直接收到了从银河系一天体发出的引力辐射,直接验证了爱因斯坦关于引力波的预言。但是,它的实验在世界上十几个实验室都未能重复,因而也就没有被科学界承认。
(9)应仔细核对实验后所得出的结论。
实验结束后,要对实验中获得的数据作进一步的加工、整理,从中提取出科学事实或某种规律性的理论。在分析过程中,要利用统计分析的方法,借助于计算机等手段来从数据之间的因果关系、起源关系、功能关系、结构关系等多角度、多层次地进行处理。