虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作教學的應用 李啟讓1 *、洪振方2、李坤3、李柏林4 1. 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所博士 2. 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教授 3. 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所博士班 4. 國立陽明大學生物醫學工程學系碩士班生醫材料組 *li483739@yahoo.com.tw 十二年國教普通高中自然科學新課綱10-12年級「科學探究」歷程分為,發現問題、規劃與研究、論證與建模,表達與分享。「實作學習內容」為實際操作的科學學習活動,例如:觀察、測量、蒐集資料與分析、歸納與解釋、論證與作結論等(教育部,2016)。虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作之學習歷程為:透過真實化情境動畫的觀察、發現問題、辨別變因類型、提出假說和操作虛擬實驗、蒐集與分析數據,將數據繪製圖形、建構數據模型,從圖形的變化趨勢尋找規律性形成結論,以文字或符號表徵數學模型,應用模型解釋或推論問題(李啟讓,2019)。虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作本質上是科學探究與數據建模的過程,與十二年國教普通高中自然科學新課綱10-12年級科學探究與實作的學習重點是一致的。 虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作的流程包括:1.現象觀察:線上觀看氣體定律虛擬實驗影片;2.提出問題:提出可以探究的研究問題;3.選擇變因:選擇研究問題的操縱變因、控制變因、應變變因;4.實驗預測:由操縱變因與應變變因的因果關係提出待驗證的假說;5.實驗數據選擇與表格設計:決定操縱變因實驗數據間距的大小、設計可記錄操縱變因與應變變因數據的適當表格;6.進行虛擬實驗:線上操作互動式虛擬實驗、詳實記錄實驗數據;7.繪製實驗結果的數據圖形:選擇適當的數據圖形、決定數據轉換成圖形X-Y軸的座標軸名稱、組織與建立數據模型;8. 比較實驗結果與實驗預測:驗證實驗結果與實驗預測的假說是否一致,假說是否獲得支持;9.形成結論:解釋數據圖形變化趨勢表徵數據圖形的意義,以符號建構數學模型;10.即時評量:表達與分享,應用數據模型或數學模型描述、解釋、預測或推論原來情境或新情境的問題。 虛擬實驗討論教學策略在探究與實作的教學設計,參照吳英長(1988)的小組討論教學流程、歐陽鐘仁(1996)解決問題討論教學及Nelson(2013)的問題焦點討論設計而成。本虛擬實驗討論教學的教學策略分成教學前、教學中、教學後三個過程,分別說明如下: (一)教學前過程: 1. 分組: (1)使用前一次化學期中考成績排序後以S型分組或社交計量分組,每組3~4人,全班分成10~11組,每組指定一位小組長負責評分及記錄同組組員發言次數。上課時小組成員提出問題或回答問題,其他小組長依據評分標準給予其他小組加1~3分,並記錄在小組互評表(如表1)。而發言小組則記錄發言組員提出問題或回答問題次數列入貢獻率。為了能夠讓不擅言詞或學業成績不佳學生有發言機會,除了自由提問(或回答)外,教師亦會適時以較能夠回答出來的問題抽問不擅言詞或學業成績不佳學生,來鼓勵他們參與討論。 (2)小組互評表評分給分標準:提問給分範圍1~3分,回答給分範圍1~3分(黃國禎,2016)。 ① 給3分:能清楚描述問題並提供足夠理由說明問題重要性(提問)。使用合宜的資訊清楚回答同學的問題(回答)。 ② 給2分:能描述問題但提供的理由不夠周全(提問)。試圖回答同學的問題(回答)。 ③給1分:未能描述問題及其重要性主題不明確(提問)。僅以最基本的答案回答同學問題,或未能解答(回答)。 (3)貢獻率:同組有發言,小組長紀錄組員提問或回答累計次數列入個人平時成績加分參考。 表1小組互評表(班級:組別 組長姓名: ) 組別 座號 組員姓名 […]
華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 李啟讓1, *、洪振方2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *li483739@yahoo.com.tw l 前言 在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標,學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32 ℉,且在普通高中基礎化學(三)氣體定律學習克氏溫標,學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的?因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史,並從物質受溫度影響規律性的變化量,動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。 l 華氏溫標 德國物理學家華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736)在1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉為華氏溫度的單位,這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬、貝里斯、開曼群島、帛琉、美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)=9/5*攝氏溫度(℃)+32 。 l 攝氏溫標 在華氏溫標製定的30多年後,瑞典天文學家攝爾修斯(Anders Celsius,1701-1744)於1742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度,他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度,攝爾修斯創新的刻度,比華倫特的簡便得多,所以更受到人們的歡迎,就成了現在的百分制溫度,即攝氏溫標,用℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)=5/9*(華氏溫度(℉)-32)。 圖1溫度計,外圈為華氏溫標,內圈則為攝氏溫標(取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標) l 克氏溫標 在十七世紀末,法國科學家阿蒙頓(GuillaumeAmontons﹐1663~1705)開始探討氣體的壓力與溫度關係,後來的兩位法國科學家查爾斯(Jacques Charles﹐1746 ~1823)與給呂薩克(Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778~1850)接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯與給呂薩克接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖,可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線,其斜率也不相同,但與溫度軸相交於同一點;此值由各種實驗發現為-273.15°C。這是最低的溫度極限,稱為絕對零度,在這個溫度下,氣體壓力為0,如圖2。 圖2定容、定量的低密度氣體,其壓力與溫度之關係(姚珩等,2018) 西元1802年,給呂薩克參考查爾斯的研究後發現,定量的氣體在定壓下,當溫度升高時,則體積也會增加,且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上,均可發現交點所在之值為-273.15 °C,如圖3。 圖3 定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等,2018) 因此,在西元1848年,英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標,規定每度之間的大小與攝氏溫標相同,但取-273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標,其單位為克耳文,記為K;因此,絕對零度為0K,而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )=攝氏溫度(℃)+273.15。 l 如何讓溫度接近絕對零度並加以測量? 溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快,有較高的動能。分子越冷,速度就越低,能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量,然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻,科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度,降到1nK(即1nanokelvin,10-9K)以下。現在的紀錄是450pK(1picokelvin為10-12K)。如何來測量這些原子的極低溫度?一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大,原子內的能量一定越高,因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能,將磁阱關掉,沒有磁力時原子會飛開,使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大,這是一種觀測原子速度的直接方式,因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後,如果看到的原子雲較小,則意味著達到較低的溫度(凱特利, 2004) 。 l 伽利略溫度計 伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(1564~1642)在1593年發明的,伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等,對「溫度」非常敏感,當溫度改變時,液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理,液體密度越大(溫度越低),所提供的浮力越大,玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是,由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度,如圖4箭頭所指的溫度。 華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製成華氏溫度計。經過30多年,瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多,根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。 […]
發現苯環 李啟讓1, *、洪振方2 1國立屏東女子高級中學(退休) 2國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *li483739@yahoo.com.tw 十八世紀後,冶金工業的發展促進煤焦的生產,同時,作為工業燃料和家庭照明的煤氣,也有大量的需求。而煤焦和煤氣的大量副產品是煤焦油。最初,煤焦油只是一種廢棄物。十九世紀初,科學家在煤焦油中分離出大量芳香族化合物,並以它們為原料來生產染料。可是人們對芳香族化合物的結構一無所知,然而在生產染料等許多有機化合物的過程中,當時科學家迫切需要知道芳香族化合物的結構與性質。 n 苯的發現 苯是一個充滿傳奇性的有機分子,在1825年法拉第(M. Faraday, 1791–1867,英國人)由鯨魚油製得的照明煤氣燈的殘渣中首次分離出苯,稱之為「氫的重碳化物」。1834年再經德國化學家密切立希(E. Mitscherlich, 1794–1863,德國人)由安息香樹膠和石灰共熱製得苯,並求出其分子式為C6H6。後來,直到1845年德國化學家馮·霍夫曼(A. W. von Hofmann, 1818–1892,德國人)也從煤焦油中發現苯,苯的名稱才告確定。 n 化學家凱庫勒的一生 1829年9月7日,凱庫勒(August kekulé, 1829–1896,德國人)(見圖1)出生在達姆斯塔特,他和李必希(Liedig, Justus von, 1803–1873,德國人)是同鄉。凱庫勒從小就很聰明,對數學和製圖尤為擅長。18歲時,遵從父親的意願考入吉森大學學習建築學,但是不久受李必希的影響改學化學。1856年,他回到了德國,任海德堡大學的講師,兩年後,來到比利時的根特大學任化學教授。1867年再回到了德國,任波恩大學的化學教授,後來任波恩大學的校長。於1896年7月13日,凱庫勒在波恩逝世。 在波恩大學的凱庫勒,常以吉森大學的李必希為榜樣。因為凱庫勒教出了許多優秀的學生,在最初的五屆諾貝爾化學獎得主當中,他的學生就包辦了其中三屆;所以凱庫勒被譽為史上最傑出的化學教授之一。 圖1:凱庫勒(August kekulé) (圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/August_Kekulé) n 原子結合的密碼 對19世紀時的化學家來說,複雜的有機化合物還是很難理解。直到1857年,德國化學家凱庫勒提出四價碳學說,他認為碳與碳相互連結是有機分子的主要結構,這種構造成為有機化合物的主要骨架。不過四價碳學說不是凱庫勒獨有的見解,其實蘇格蘭人古柏(A. S. Couper, 1831-1892,英國人)更早就在進行相關研究,而且可能對凱庫勒有所啟發。這個四價碳學說在其他場合應用良好,我們可以想像碳有4隻手;例如甲烷(見圖2),就是一個碳原子透過4個單鍵,連接了四個氫原子所構成。 圖2:甲烷結構式 (圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/甲烷) 凱庫勒首先提出「苯」是長鏈式結構,又因其結構與實驗結果不符而被一一否定。在「苯」(見圖3)這種分子裡面,6個碳原子的周圍,都只會接2個或3個原子,化學家認為它應該很不穩定。 圖3:「苯」的長鏈式結構 (圖片修改自:https://zh.wikipedia.org/wiki/己烷) 儘管苯的分子式C6H6早經確定,但是其分子結構卻遲到1865年,才被日有所思,夜有所夢的凱庫勒,經由夢中獲得的啟示發現。其中的緣由是苯分子的特殊結構,依照分子式C6H6苯是未飽和化合物且化性異於其他烴類,故苯的分子結構困擾了許多化學家。距離它於1825年首次與世人見面,整整有40年之久。 n 夢中獲得的啟示 關於凱庫勒提出苯分子為環狀結構的經過,一直是化學史上的一則趣聞。據凱庫勒說法:這來自於一個夢(見圖4)。一天夜晚,他在書房中打瞌睡,眼前出現旋轉的碳原子,碳原子的長鏈和蛇一樣盤繞捲曲。忽然,一條蛇咬住自己的尾巴,並旋轉不停,自己像觸電般猛然驚醒。 圖4:凱庫勒夢中的一條蛇 (圖片來源:https://tw.images.search.yahoo.com/search/images) 在1865年,凱庫勒從夢中獲得的啟示,整理出苯環結構的假說,終於悟出閉合鏈的形式是解決苯分子結構的關鍵。他提出苯分子是一個由6個碳原子以單鍵、雙鍵交替結合而成的環狀鏈式(見圖5)。 圖5:凱庫勒提出的苯的環狀鏈式結構 (圖片來源:作者繪製) 凱庫勒並在1872年提出,苯環是單、雙鍵交替排列的六角形平面環狀結構。他認為苯的兩種形式處於快速平衡的狀態,苯分子的每一個碳原子各與2個碳原子和1個氫原子連接成六角形,圖6為簡化後的凱庫勒式結構。 圖6:簡化後之苯的凱庫勒式結構 (圖片修改自:龍騰文化黃得時教授主編普通高中,100年~106年版基礎化學(二)全,頁61。本圖顯示凱庫勒式結構中,苯的鍵長。單鍵 > 雙鍵) […]
原子與電子理論的建立和發展(上) 李啟讓1*、陳文靜2 1國立屏東女子高級中學 2高雄市立高雄女子高級中學(退休) *li483739@yahoo.com.tw n 古希臘原子說 在科學發展史上,一個古老的問題是:「物質組成最小的單元是什麼?」從幾千年前,東西方的哲學家們,都在思考這樣一個問題:把一個物質持續不斷的分割下去,最後是否有最小的微粒?古希臘哲學家對於物質組成最小的單元這個問題,有兩派不同的看法。一派看法是:物質的組成最小的單元都是連續的微粒,可以無限分割下去,最後的最小單元是可分性。另一派看法是:物質組成最小的單元都是不連續的微粒,持續分割下去、最小的單元是不可分性。古希臘哲學家德謨克利特(Democritus,460~370 B.C.)(圖一)接受了物質組成最小的單元是不連續的,物質持續分割下去,最後的最小單元是不可分性的觀念。德謨克利特稱最小單元為「ατομ」,就是「不可分割」的意思。近代日本人引進西學,將最小單元稱之為「原子」。德謨克利特進一步提出:宇宙萬物,都是由多樣多種極小原子所構成。德謨克利特認為原子是一種不可分割、內部沒有空隙可分割的最小單元。但原子在空間中不停的運動時,不同的原子會因為互相碰撞組合成不同的物質,而形成了宇宙萬物。古希臘原子說提出後,經歷約2000年始終沒有經過實驗的驗證,而停留在虛玄的思辯中,因此古希臘原子說只是一種臆測性的原子說。 圖一:古希臘哲學家德謨克利特 (圖片來源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Democritus) n 原子論的出現 直到1803年英國人道耳頓(John Dalton,1766~1850)(圖二)歸納「質量守恆定律」、「定比定律」和「倍比定律」等實驗結果提出原子論,道耳頓原子論的內容包括:(1)所有物質都是由原子所組成,原子是不可再分割的最基本粒子。(2)同一種元素的原子,具有相同的質量及性質,不同種元素的原子,其質量和性質不同。(3)不同元素的原子能以簡單的整數比結合成化合物。(4)化學變化是化合物中的原子重新排列組合,原子的種類、數目不變。 化學新時代是從道耳頓原子論提出後開始,原子論使化學發展從微觀物質結構去揭示巨觀化學現象的本質。也為化學家提供了解決實際問題的重要理論基礎,化學上已經發現的化學計量的經驗定律,如質量守恆定律、定比定律、倍比定律、原子量都能用原子論加以解釋。 圖二:英國人道耳頓 (圖片來源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton) n 從原子到分子 法國化學家給呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac,1766~1850)(圖三)進行氣體反應實驗時發現,用2個體積的氫氣和1個體積的氧氣化合,得到2個體積水蒸氣,反應式[式1]如下: 氫氣(2個體積) + 氧氣(1個體積) à 水蒸氣(2個體積)…… [式1] 給呂薩克經由實驗結果提出氣體化合體積定律:氣體物質在定溫定壓下反應時,反應物和生成物的體積恆成一簡單的整數比。 圖三:法國化學家給呂薩克 (圖片來源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Louis_Gay-Lussac) 道耳頓試著用原子論解釋氫氣與氧氣化合生成水蒸氣,出現兩種可能性的解釋: 可能性一:在相同溫度相同壓力下,同體積的氣體含有相同原子數觀點,以圖四可解釋反應體積比應該是2:1:2,但是原子被分割違反道耳吞原子論。 圖四:以同體積的氣體含有相同原子數觀點解釋所產生的矛盾 (圖片來源:教育部教學資源,https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532) 可能性二:由所有物質都是由原子所組成觀點,依圖五所示以原子論來推論此反應體積比應該是2:1:1,但不符合實驗結果2:1:2,使道耳頓原子論陷入困境。 圖五:依據所有物質都是由原子所組成觀點推論與實驗結果不吻合 (圖片來源:教育部教學資源,https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532) 道耳頓原子論與給呂薩克氣體化合體積定律的學術爭論引起義大利科學家亞佛加厥(Amedeo Avogadro,1776~1858)(圖六)的極大興趣,他仔細的分析雙方的論點的論據,終於找到問題的癥結,提出分子論的假說。他認為分子是由特定種類與數目的原子構成,分子是保有物質基本性質的最小粒子。 圖六:義大利科學家亞佛加厥 (圖片來源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Amedeo_Avogadro) 他並提出亞佛加厥假說:在同溫、同壓下,同體積的任何氣體含有相同數目的分子,假說延伸:在同溫、同壓下,反應時氣體體積比=反應時氣體分子數比,亞佛加厥以分子的概念成功解釋了氣體化合體積定律。以氫氣與氯氣反應生成氯化氫為例,如圖七說明:道耳頓原子論認為氫氣與氯氣都是由一個原子組成,而亞佛加厥分子論認為氫氣與氯氣都是由兩個原子組成,兩種理論在解釋給呂薩克氣體化合體積定律出現不同的結論。 圖七:亞佛加厥假說的圖示 (圖片來源:翰林文化,基礎化學一) 亞佛加厥分子論對原子論做了繼承與發展,使我們發現了另一個新的物質微粒叫做分子。亞佛加厥引入分子概念,把分子與原子既區分開來,又相互發生關聯,推動了化學的發展。 n 原子也是可以分割的 “原子不可分”的古老觀點,這種信念被十九世紀末一個接一個的科學發現打破了,主要是放射性物質和電子的發現。英國物理學家湯姆森(Sir Joseph […]
原子與電子理論的建立和發展(下) 李啟讓1*、陳文靜2 1國立屏東女子高級中學 2高雄市立高雄女子高級中學(退休) *li483739@yahoo.com.tw 【承《原子與電子理論的建立和發展(上)》】 n 波耳的氫原子模型 拉塞福原子模型認為電子繞核做圓周運動,如同行星繞著太陽運轉一樣。隨著科學的發展,依據古典電磁學理論,當電子繞原子核做圓周運動時,必然產生向心加速度,電子就會不斷輻射電磁波而釋放能量,使電子做螺旋運動,最後墜落在原子核上(圖十二)。但事實上,大部分的原子是相當安定的,與自然的事實不符合,因此必須重新修正原子模型。 圖十二:電子在核外運動的示意圖 (圖片來源:龍騰文化,選修化學上) 丹麥物理學家波耳(Niels Henerik David Bohr,1885~1962)(圖十三)認為:按照拉塞福原子模型,原子結構問題和天體問題很相似,然而詳細的考慮就會發現到,在一個原子和一個行星體系之間是存在一個很根本的區別。原子必須具有一種穩定性,這種穩定性顯示出一種完全超出力學理論之外的特點。 圖十三:丹麥物理學家波耳 (圖片來源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr) 在1913年,波耳為了解釋氫原子放射光譜是具有特定波長的譜線,因而提出氫原子模型,其中兩個基本假設如下: 第一個假設:氫原子的電子只能在原子核外特定距離的軌道做圓周運動,此時電子不輻射電磁波而呈穩定態。 每一個符合第一個假設之條件不同軌道運動的電子,都給予一個n值,n = l、2、3⋯都相當於一個穩定態。這些軌道由內向外分別以n = l、2、3⋯⋯等正整數表示。n = 1 的軌道最接近原子核,其半徑最小,是能量最低的能階;n值愈大的軌道,離原子核愈遠,半徑愈大,能階的能量愈高。氫原子在各能階中所具有的能量,可以下列公式[式3]表示: E n= – 2.179 x 10-18/n2 (J) ,n = l、2、3⋯ [式3] 第二個假設:電子從高能階(nH)[式4] 躍遷回到低能階(nL)[式5],電子將以電磁波的形式釋出能量(∆E)[式6]。 EH = – 2.179 x 10-18/nH2 (J) [式4] EL = – 2.179 x […]