「質量守恆定律」要怎麼探究?

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質量守恆定律,是一個【經驗定律】嗎?在拉瓦節的年代,是經驗定律沒錯,也就是說這個定律是仔細做了一大堆實驗之後,歸納實驗結果找到的規則。但是到道耳吞之後,原子論解釋了質量守恆定律,質量守恆定律變成可以解釋的,那質量守恆定律就可以變成原子論成立之後的結果。

那到底要先了解原子論,再從原子論去解釋質量守恆定律,再從實驗去驗證質量守恆定律呢?還是要做很多很多的實驗,讓學生歸納出質量守恆定律呢?

以課堂進行來說,不可能要學生重現拉瓦節的努力,進行很多很多實驗來歸納出質量守恆。如果進行兩三個實驗就歸納出質量守恆的話,又太過大膽。在教學上可以以【兩三個實驗作為示例,用來表示兩三百個實驗】嗎?我覺得是可以的,在學生進行了兩三個實驗,並且測量到化學反應前後質量不變之後,教師可以聲稱化學家自古至今進行了非常多實驗,都發現了這些規則,我們就把它稱為質量守恆定律,然後再以原子論來解釋質量守恆定律。

(如果老師想不開的話,可以這樣想,一個科學家做兩三個實驗,一百個科學家將他們的實驗結果匯集起來,就很多了。科學發現可以合作的對吧。)

這是一種課程設計的方式。是用少量的課堂經驗連接到我們要傳達的定律,讓學生除了單純得接受知識之外,多一點科學科學實作的參與。

接下來提供另一種課程設計的方案。

因為國中這階段已經上完原子論了,所以對學生來說,可以在認識化學反應之後,先用原子論(模型)來推論化學反應前後的質量變化。然後用碳酸鈉+氯化鈣產生沉澱的化學反應前後質量來提供【符合理論】的驗證。根據原子論,化學反應只是粒子的重新排列組合,所以總質量不會增加也不會減少,實驗結果也是如此。

接下來,用鹽酸+大理石產生二氧化碳的實驗,測量反應後質量會變少(測量少了幾克,數字可以記錄起來),提供【不符合理論】的現象造成衝突。實驗結果和理論不符合,就有幾種選擇。

1.推翻理論,認為質量守恆定律是錯的。(別懷疑,真的有學生會這樣選),或者說:理論跟實際本來就不一樣。但科學理論如果跟實際的情況不符合,理論就應該馬上捨棄。

2.以例外來處理,就是縮小理論適用的範圍,上面那個結果是個例外。這個我們的試題也常常這樣出現,說「產生氣體的化學反應不適用質量守恆定律」

3.提出解釋。就是仍然保持原來的理論,但是提出實驗結果和理論看似不合的說法。

如果是選擇第三種,那就得要提出解釋,以及驗證解釋的作法並且實作了。

這個主題當然可以用3.來處理

學生提出解釋:「因為產生氣體跑掉了,所以質量變少了」(這是空口說白話的提出解釋階段)

接下來就請學生設計實驗驗證這個解釋:要怎麼樣才能證明這個解釋是正確的呢?想個實驗方式來蒐集關鍵的事實。

【我們把蓋子蓋上,讓氣體無法跑掉,如果質量守恆是正確的,那麼蓋子蓋上後,反應前後質量就不會變了】

然後進行實驗驗證,確實如此。然後打開蓋子,讓氣體跑掉,再測一次質量,看看變少的幅度和前面測到的數字做比較,應該會發現這邊減少的質量和前一次非常相近或相同,在實驗儀器(天平或電子秤)測量誤差範圍內。

【不符合理論】的現象被驗證了其實還是符合理論之後,接下來就可以舉更多例子,像是鋼絲絨燃燒質量會變重。這時候情境的設定就會變成,我們因為前面的經驗,對於質量守恆定律更有信心了,所以這邊就會更有把握的提出來是有物質和鋼絲絨結合了。

在這邊還可以用另一個【不符合理論】的手法來操作,就是上面寶特瓶的蓋子換成套上氣球。

套上氣球的話,也是可以營造一種密閉的空間,但氣球因為產生氣體後體積會膨脹,在視覺效果上蠻好的,有些操作趣味科學的老師會這樣玩。不過如果去秤重的話,會發現秤上的數值會變小喔,而且不是那種電子秤誤差範圍內的那種小,而是明確的直量變小了。

這邊就產生了一個蠻衝突的情況就是,明明在密閉的空間裡,秤到的數值還是變小了,這時候要學生去思考有沒有可能的解釋,難度就會更高一些,適合資優的學生來挑戰看看。

如果是這個流程的話就會變成

1.有個現象:測量一兩個化學反應前後的質量,發現反應前後質量很接近,都在測量儀器的誤差範圍內。教師告訴學生,其他人做了許多次的測量,也是發現化學反應前後質量不變的。(到目前為止,屬於相關性的研究結果)

2.提供理論:原子論可以提供解釋。1和2順序調換一下都可以操作,但以研究特性來看,會有點不同,理論如果走在前面,就比較像是解釋性研究:如果化學反應是粒子的重新排列組合的話,那麼化學反應前後質量應該如何變化呢?先解釋,做預測,再進行實驗,這裡提供模型、理論。

3.提供例外:找一個會產生氣體的化學反應,發現反應之後質量變小了。

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4.提出解釋:因為產生的氣體跑掉了,所以質量才變小。

5.設計實驗驗證解釋:用氣球包起來,如果用氣球包起來,反應前後質量應該會怎麼樣呢?預測質量會維持不變,結果發現產生氣體後,秤上的數值還是變小了

6.再提出解釋:因為氣球膨脹,會產生其他的作用力,讓秤的數值下降

7.再提出實作方式:不要用氣球包住,用瓶蓋讓氣體不要跑出來,如果用瓶蓋把瓶子蓋起來,反應前後質量應該會怎麼樣呢?會維持不變。

8.實作發現質量還是守恆的

9.相信質量守恆定律

10.基於相信質量守恆定律的前提,討論鋼絲絨燃燒的質量增加原因

一般的學生可以跳過5-6,資優學生可以跑跑看步驟5, 6

有時間再往下走也很好,就是

11.有人發現核反應質量真的會改變,是原本的理論完全沒辦法解釋的,於是就要用例外,或者新的理論來處理了。

上面的兩種上法我覺得都可以啦,探究的訓練目標不太一樣,前者比較多實驗結果歸納,多一點【分析與發現】的味道。後者【思考智能】的強度比較高。

大家可能覺得,只不過是個質量守恆定律,為什麼要花這麼多時間呢?因為教學目標,不只是化學反應質量守恆,還有模型運用,實驗預測,提出假設,提出實驗設計,預測實驗結果這麼多值得學習的能力都可以藉由相對比較直觀的化學反應質量守恆定律,把這些能力培養的課程包進去喔。



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鄭志鵬(小p老師)的沙龍
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我是小p老師,是中學的科學教師,喜歡探究,喜歡玩科學,思考科學的教學。
2025/11/28
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