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求文献 计算化学在应用化学中的应用

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-22

  图形计算器及其探头早在上世纪80年代就已在国外(尤其是美国)的中学理科教学中得到广泛的应用,国内的应用则是从上世纪末开始的.在众多的品牌中,美国TI(Texas Instruments)公司的TI系列图形计算器是历史最悠久,影响最大的.TI系列图形计算器不仅具有强大的数学功能,由于它能连接CBL(Calculator Based Laboratory),即基于图形计算器的实验系统,使它在化学中具有非常广阔的应用前景.利用连接在CBL上的各种探头,可以方便地测得各种需要的实验数据.CBL及探头的控制可通过图形计算器的编程实现,图形计算器同时也起到了数据的存储,分析,处理及图像的绘制作用.控制CBL的图形计算器的程序可以自己编制,也可以从TI公司的配套光盘或其网站(上获取.实际上通过TI公司提供的chembio系列程序,完全可以解决与化学,生物有关的众多实验,而无需自己编程.可与CBL连接的探头的种类相当丰富,包括:电流,电压,温度,光强度,pH,电导率,吸光度,溶解氧,二氧化碳,气体压强以及包括Ca2+,NH4+等离子在内的各种离子选择性探头等,而且精度较高,可以很好地满足中学阶段的教学需要.另外这套系统便于携带,可以装在一个小塑料箱中,方便地带到课堂或实验室以外进行使用.

  图形计算器及其探头的引入,打破了以往教学中的许多限制因素,有利于我们更好地改造现有的化学教学内容.

  以前,定量的实验在中学阶段很少,原因主要有二条,一是定量实验对实验设备的要求很高,很难找到一套适合装备中学实验室,功能强大,使用方便而又相对价廉的实验仪器;二是如果选用传统的定量实验手段,将大大延长实验时间,这与中学阶段的化学学科的课时安排有很大的矛盾.图形计算器及其探头可以较好地解决这些问题.用pH探头可以在十几秒钟内就测出溶液的pH,而且可以精确到小数点后两位,这样学生完全可以在课堂中测量雨水样品的pH进而判断它们是否是酸雨.过去在进行强弱电解质的教学时,往往要做导电性比较的演示实验,通过灯泡的明暗程度来判断电解质的相对强弱.而事实上由于各种各样的因素,灯泡明暗的差别并不一定明显,使实验效果大受影响.如果这时使用电导率探头,精确的电导率读数会清楚地说明问题.

  在中学阶段引入定量的内容,其目的之一是为了更好,更高效地把教学中的重点,难点讲透.可能不少老师都曾面对学生提出的这样的问题:为什么在用氢氧化钠溶液滴定盐酸时,当酚酞指示剂变浅红时,就达到滴定终点了呢(氢氧化钠溶液与盐酸恰好完全反应的pH应该是7,而酚酞变浅红的pH范围为8~10) 不是明明已经过头了吗 由于这个问题涉及到滴定突跃的问题,要既快又好地给学生解释清楚还真不好办.这时可以使用pH探头,将滴定过程中的一系列pH传入图形计算器,通过图形计算器的绘图功能就可以迅速得到一条滴定曲线,然后再继续给学生讲解最后一滴氢氧化钠溶液对pH的影响.这样就避开了繁琐的推理,也没有给学生提出更多的知识要求,但却很有说服力(因为是通过真实的实验).

  其实,有了图形计算器及其探头,我们完全可以在中学阶段引入更多的定量内容,使化学教学的内容更加丰富多彩,更加有利于学生全面素质的提高.例如:我们可以用吸光度探头测量蓝色的硫酸铜溶液的浓度,用电导率探头测量无色的氯化钠溶液的浓度,用电压探头测量原电池的电动势,用温度探头测量反应的热效应,用离子选择性电极研究水的硬度……并且所测得的数据可以即时传入图形计算器进行处理和分析,这与其他单一的测量仪器(如分光光度计,电导率仪等)相比,无论在经济角度还是功能角度都具有很大的优越性.

  就图形计算器本身而言,它是主要为数学的需要设计的,具有强大的数据储存,分析处理,图像绘制等功能.我们将其用于化学的教学,就是对学生在化学学习中充分运用数学工具的良好示范.学生在教师的引导下,用平均,回归等统计手段解决化学问题的同时,也更加巩固了所学的数学知识,理解了学好数学的重要意义.

  在化学实验中所需要测量的各种量,有许多是和物理学密切相关的,如电压,光强度,温度等.另外,图形计算器及其探头本身就含有许多物理学(尤其是电子学)的原理.理解和掌握这些基本的物理学原理,是用好图形计算器及其探头,做好定量化学实验的重要基础.在使用探头的过程中,很多操作要求,注意事项就是和它的物理或化学原理紧密相关的.

  图形计算器及其探头还是双语教学的良好载体.由于目前图形计算器及其探头大多是像TI,CASIO,VERNIER等国外的品牌,其配套的说明书及相关的使用资料往往是英文的,其中有有关化学,数学,物理等各方面的专业词汇.这就给我们进行双语教学提供了良好的机会,学生把双语的学习融入了应用的背景,双语的学习就不再枯燥,不再是负担.学生双语学习能力的不断提高,最终必然会拓宽他们学习化学知识的渠道.

  另外,在应用溶解氧,二氧化碳,氧气,PO43-离子等探头时往往还会涉及温室效应,水体的富营养化等生命与环境科学的内容;在计算器与计算机数据交换或应用计算器的编程功能解决数据采集和分析问题时,又会涉及到有关计算机的知识……所有这些,都要求学生在学习化学时,不能只把眼光只放这一门学科上,而应该综合运用各科知识.这样,不仅可以把化学学得更好,也有利于其他各科的学习.

  化学研究性学习很多会涉及到量的问题,图形计算器及其探头基本解决了由定性到定量的转变,极大地拓展了研究性学习的内容.同时,研究性学习开展不仅仅在课堂内,而应深入到学生的整个学习生活中,图形计算器及其探头的便携性为研究性学习走出课堂,走出校门提供了有力的保障.通过师生的共同实践,已经积累起一批将图形计算器及其探头应用于研究性学习的案例.如:醋酸浓度越大,氢离子浓度越大吗 (用到pH,电导率探头),如何比较两种金属的活泼性 (用到电压探头),温度对盐类水解有什么影响 (用到温度,pH,电导率探头),缓冲溶液是怎样维持pH的 (用到pH探头),游泳池中的余氯含量符合要求吗 (用到吸光度探头)……学生以原来的化学知识为基础,通过主动探究的方式去获得新的知识,不仅可以获得更加牢固的学科知识,而且习得了获取知识的方法,培养了不畏权威,实事求是的科学态度.这些比知识本身更有意义.

  教学技术与手段的进步,不仅可以引入新的教学内容,还对化学教学提出了新的目标与要求.图形计算器及其探头的使用将使以下的教学目标得到重点体现与贯彻:

  定量实验的引入,对一丝不苟,实事求是的科学精神的培养提出了更高的要求.只要操作上稍不规范,就会产生结果偏差很大或损坏仪器等不良后果,许多在原来的定性实验中体现不出的问题,现在会暴露无遗,这正是我们对学生进行良好的科学作风教育的最佳机会.把握好这样的机会,在学生实验操作和实验结果明显进步的同时,他们的整体科学素养也会得到提高.

  在应用图形计算器及其探头的过程中,会遇到很多有关科学方法的问题.例如:在用吸光度探头或电导率探头测定某些未知溶液浓度的时候,经常会用到工作曲线的方法;在用吸光度探头时,又会用到参比溶液;在进行研究性学习时,也常会碰到同时会有几个因素会影响最后的结果,这时就需要有一个控制变量的思想,即在研究一个变量对结果的影响时,控制其他的变量不变,这样逐一研究,就可以分别知道每一变量对结果的作用.类似上述的方法,都应在教学过程中得到充分重视.

  纵观百年诺贝尔化学奖的获奖史,阿斯顿因利用质谱仪发现了大量非放射性元素的同位素而获得1922年的诺贝尔化学奖;利比因在考古学,地质学,地球物理和其他科学分支中用14C来测定年代的方法而获1960年的诺贝尔化学奖;霍奇金因用X射线技术测定了重要生物化学物质的结构而获1964年的诺贝尔化学奖……许多重大的科技进步都离不开工具的发明与使用,由此可见从小培养学生运用适当工具解决实际问题的能力的重要性.除了像数学,计算机,英语这样的工具学科,图形计算器及其探头也给学生提供了很好的发现,熟悉,使用工具的仿真环境.随着科学技术的不断发展,新的生产工具不断地涌现,并且更新的速度越来越快,作为新世纪的工作者,必须能适应这种高速的发展,有能力在众多的选择中挑选出自己需要的,并且迅速适应,灵活应用.而这一切,都必须从学生就开始培养起.

  由于用图形计算器及其探头测量数据,绘制曲线具有精确,快捷的特点,因此非常适合于在课堂教学中的教师演示实验.精确完整的数据,直观的图像使得原来没法对学生讲或讲不清楚的内容也能让学生理解,讲解的时间也大大缩短,课堂教学的效率自然就提高了.前面讲到的有关中和滴定中滴定终点问题的教学处理就是一个很好的例子.类似的实例还有强弱电解质的导电性演示实验(利用电导率数据);某些化学反应吸热或放热问题(利用温度变化曲线)等.通过这样的途经,可以很好地解决教学中的重点或难点.需要注意的是在演示过程中,不仅要引导学生仔细观察,还要重视学生的处理数据,分析数据以及读图等方面能力的培养.

  在课堂教学中,当教师讲授完一定的知识点后,如果能及时给学生动手操作的机会,对所学的知识加以验证,可以激发起学生的学习动机,加强学习的主动性和积极性.最终学生不仅可以提高实验操作技能,还更加深刻地理解和掌握了相关的知识.这样授课的效果往往比单纯的教师讲解好得多,因为它来自于学生亲身体验的实验事实.图形计算器及其探头的优点,保障了这种教学形式的可行性,有些地方甚至还起到了传统的中学化学实验手段不可替代的作用.例如:在讲授温度对醋酸这样的弱电解质的电离度的影响时,教师可以不从电离的热效应以及平衡的移动规律着手讲解,而先让学生用图形计算器及探头进行实验.在CBL上同时连接温度和电导率两个探头,即可在醋酸溶液加热升温的过程中,在图形计算器中得到一个电导率—温度曲线,从曲线的走势便可很快得出正确的结论(事实上由于溶液的电导率和电导率探头本身都会受温度的影响,所以应选用一个和原醋酸溶液具有相同电导率的盐酸溶液作对比).然后教师就可以组织学生来进一步从理论上解释实验的结论.

  在这种教学形式中,教师应该注意学生实验过程中各种问题的发现和及时解决,实验后师生间,学生和学生间的交流与讨论等.学生进行讨论的过程,也就是他们对知识深化理解,综合应用的过程.

  当研究性学习的内容涉及量的问题时,往往就可以考虑使用图形计算器及其探头了.研究内容的选择是研究性学习中非常关键的一步,它常来源于学生学习,生活的实践.例如:在冰醋酸加水的过程中,溶液的导电能力及pH的变化情况一直是学生学习中的一个难点,于是就有学生以醋酸浓度越大,氢离子浓度越大吗 为题展开了研究性学习,选题得到了辅导老师的赞赏与支持.于是他们就开始了研究的计划和各项准备工作,其中包括对图形计算器和探头的使用的学习.经过思考,他们决定选用pH探头,因为pH与[H+]有直接关系.但在实际操作中,他们发现pH探头不是一个符合这个实验要求的理想工具,在浓溶液中pH探头不够灵敏,几乎测不出微小变化且屏幕显示数据很不稳定,于是他们改用了电导率探头作为实验工具,因为对于醋酸溶液,氢离子浓度越大,电导率也越大,两者变化趋势一致,因此在图像Y轴中可以用电导率代替氢离子浓度出现.通过测量往冰醋酸中加水这一过程中的电导率值,他们得到了一条先升后降的曲线.他们于是开始讨论是什么因素造成了这样的曲线形状,后来又进一步讨论最低点的含义.最后他们不仅很好解释了曲线的升,降两段,而且给出了在电导率转折点时醋酸溶液的大致浓度.于是他们成了班里这一问题的专家,其他同学碰到类似问题都会来向他们请教,因为他们的所能传递给同学的东西远胜于过去教师电离为主,稀释为主的空口讲解.

  综上所述,图形计算器及其探头等现代教育技术的出现,使中学化学教学的目标,内容,实施等各个环节都面临着革新,如何把握新技术的机遇,迎接新技术的挑战,全面提高化学教学的质量,是我们每个化学教师都应关心和思考的问题,也需要我们在实践中进一步探索.

  应用双换算法和有限元计算程序分析连续梁桥的徐变次内力 Creep Secondary Internal Force for Continuous Beam Bridges Analyzed by Method of Two Conversion Coefficients and Finit Element Computer Program [公路 Highway] 程翔

  展开全部朋友你好,我在学化学的时候一道有些结构计算的时候,一般会借助计算机先进行绘图,然后直接读出数据

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