物理與化學的交叉點

物理與化學的交叉點

壹、前言
在目前國中自然與生活科技的課程中混雜了生物、物理、化學、生活科技等眾多科目，但許多老師在大學的專業訓練裡卻往往只有一個科目的學習，雖然許多學校還是以分科教學為排課原則，但物理、化學多年來仍是維持一個科目，因此許多物理背景的老師在教授化學；或化學背景的老師教授物理時，或許是因為原本學科的學習屬性，物理學科有較多的原理原則可供遵循，物理老師也習慣有較多的思考實驗(Thought Experiment)，但化學科本身較貼近實證科學(positive science)，因此更強調實驗的方法、過程與結果。再加上不同學科還是有許多細節，若非深入研究很容易落入「只知其然而不知其所以然」的窠臼中，更不用說初學自然科學的學生往往就是一知半解。
在現階段國中教科書很多的實驗中，經常都不會是單一種原理的應用，但礙於課程的順序，很多還沒詳細教授的單元，卻已經在實驗中出現，是否要「話說從頭」就成了許多國中理化老師的兩難，甚至可能連許多老師都無法詳細了解這些原理之間彼此的相關性，使得部分不太正確的觀念反而因此傳遞給學生，這是老師們必須先自我省思之處。
在此筆者舉出八年級兩個類似的例子和大家一同探討。
貳、以物理原理進行化學實驗
八年級上學期的自然科第二章進入物質的分類，早期實驗利用蠟燭在密閉容器中燃燒水位上升來說明空氣只有部分的成分具有助燃性，實驗本身的設計其實問題不大，但卻有少部分的老師將實驗結果直接引入容器進入1/5體積的水，因此空氣成分中含有1/5體積的氧氣。這樣的實驗結果要推論到空氣成分含有約1/5的氧氣其實非常不恰當，首先進入容器中的水無法明確測量體積(蠟燭也占據了一定程度的體積)，再者，以蠟燭的燃燒效率也不容易將容器內部的助燃物消耗殆盡，定量的部分相對就難以測量。
但再回到實驗本身的原理來看，為何容器內部分氣體被消耗掉，水就會進入容器內部？這就必須用壓力的角度來解是比較合適，但壓力單元卻又是下學期的內容。蠟燭燃燒後雖然消耗掉空氣中的助燃物(在此直接先以氧氣來說明)，但同一時間其實也產生了二氧化碳，這些二氧化碳不也佔據了原本被消耗掉的氧氣體積嗎？那產生的二氧化碳體積又有多少？為何水還會進入容器中？這些問題其實還是有必要說明清楚。
有關二氧化碳造成的實驗困擾，後來的教科書已經有改良成利用鋼絲絨的氧化(產生氧化鐵固體，而非二氧化碳)來避免，確實使得二氧化碳的干擾降到最低，但實驗時間卻必須拉長到數天才能明顯觀察出結果，也不太適合在課堂中即時呈現。因此，筆者嘗試改良了實驗的方式，或許仍無法作出精確的定量實驗，但方便在課堂中操作，也可以提供老師另一個教學參考。
教具製作方式如下：
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