2.1空气的组成第一课时教学设计--2026-2027学年九年级化学沪教版上册

第2单元 空气与水资源 第1节 空气的组成（第一课时） 教学设计 学科 化学 年级 九年级 教材 沪教版（2024）九年级上册 课时 第一课时 一、教材分析 本节是沪教版（2024）九年级上册第2单元“空气与水资源”的开篇节，是学生从化学视角系统认识身边常见物质的起始内容。教材以人类探索空气组成的历史为线索，通过红磷燃烧实验测定空气中氧气的体积分数，帮助学生建立“空气是由多种物质组成的混合物”这一基本认识，并由此引出纯净物与混合物的分类概念，为后续学习氧气的性质与制备、水的组成等内容奠定方法基础。 二、四维核心素养 化学观念：建立空气由氮气、氧气等多种物质组成的元素观与分类观，初步形成混合物与纯净物的物质分类观念。 科学思维：通过红磷燃烧实验的现象观察与推理分析，发展基于证据进行推理的能力，初步建立定量研究物质组成的思维模型。 科学探究：经历“提出问题—设计实验—观察现象—分析数据—得出结论”的完整探究过程，学习测定空气中氧气体积分数的实验方法。 科学态度与责任：感受拉瓦锡等科学家探索空气组成的严谨精神与创新智慧，树立爱护空气资源、关注空气质量的社会责任感。 三、教学重难点 教学重点：通过红磷燃烧实验测定空气中氧气的体积分数；掌握空气的主要成分及各成分的体积分数。 教学难点：理解密闭容器内气体压强变化导致水进入集气瓶的实验原理；分析实验误差产生的原因；从组成上区分纯净物与混合物。 四、设计意图 本节课以“空气究竟是由什么组成的”这一核心问题驱动教学，采用任务式活动设计，将教学内容分解为“证明空气的存在—追溯人类认识空气的历史—实验测定氧气含量—认识空气各成分—区分纯净物与混合物”五个递进任务。学生在真实的实验情境中经历科学探究的全过程，从定性观察走向定量测定，从被动接受结论走向主动推理验证。结合新教材中拉瓦锡定量实验的历史脉络，让学生体会科学发现的艰辛与智慧；通过误差分析环节，培养学生严谨求实的科学态度和批判性思维。课堂以学生活动为主体，教师仅在关键节点给予引导与支架，力求让学生在“做中学”“思中学”，真正实现从知识本位向素养本位的转变。 五、教学过程 任务一：情境激疑——证明空气的存在 【任务情境】 教师出示一个空集气瓶，提问：“这个集气瓶里装着什么？”学生可能回答“什么都没有”或“空气”。教师追问：“你能用什么方法证明空气确实存在于这个瓶子里吗？”由此激发学生的探究兴趣，引出本节课的主题。 【学生活动】 活动一：小组讨论，设计证明空气存在的方案。教师鼓励学生从生活经验出发，大胆设想。学生可能提出的方案包括：将空集气瓶倒扣入水中，观察水是否进入瓶内；将空瓶子压入水中，观察瓶口是否有气泡冒出；用手扇动，感受风的存在；将点燃的木条伸入瓶中，观察木条是否继续燃烧等。 活动二：分组实验验证。教师为每个小组提供水槽、集气瓶、玻璃片、木条等器材，让学生亲手操作。学生将集气瓶竖直倒扣入水中，发现水很难进入瓶内；将集气瓶倾斜，观察到瓶口有气泡冒出；将燃着的木条伸入集气瓶中，木条继续燃烧。这些现象都说明集气瓶内确实存在一种看不见、摸不着但真实存在的物质——空气。 【教师引导】 教师总结：空气是一种无色无味的气体，它看不见、摸不着，但它确实存在于我们周围。我们每时每刻都在呼吸空气，它是人类赖以生存的重要物质。那么，空气到底是由一种物质组成的，还是由多种物质混合而成的呢？如果是由多种物质组成的，它们各自又占多少比例呢？这就是我们今天这节课要解决的核心问题。 【设计意图】 从学生熟悉的生活现象出发，通过“空瓶中有什么”这一简单问题制造认知冲突，激发学生的好奇心和探究欲望。让学生自己设计方案、动手验证，既锻炼了实验设计能力，又为后续深入研究空气的组成做好了情境铺垫。 任务二：历史回眸——人类认识空气组成的历程 【任务情境】 教师讲述：人类对空气组成的认识并非一蹴而就，而是经历了漫长的探索过程。在两百多年以前，人们一直认为空气是一种单一的物质。直到十八世纪，法国化学家拉瓦锡通过著名的定量实验，才第一次科学地揭示了空气的组成。下面让我们一起回顾这段科学史。 【学生活动】 活动一：阅读教材中关于拉瓦锡实验的内容。教师引导学生阅读新教材第2单元第1节中“人类对空气组成的认识”相关段落，重点关注拉瓦锡实验的装置、操作过程和实验结论。 活动二：观看拉瓦锡实验的动画或视频演示。教师播放拉瓦锡定量研究空气成分的实验过程：将汞放在密闭容器中连续加热十二天，发现部分汞变成了红色粉末，容器内气体的体积减少了约五分之一；再将红色粉末取出加热，又得到了汞和一种能使燃着的木条燃烧更旺的气体，且这部分气体的体积恰好等于之前减少的体积。 活动三：小组讨论。教师提出问题链引导学生思考：拉瓦锡实验中，容器内气体体积为什么会减少？减少的那部分气体到哪里去了？剩余的约五分之四的气体有什么性质？拉瓦锡由此得出了什么结论？ 【教师精讲】 教师梳理拉瓦锡实验的核心逻辑：拉瓦锡利用汞在加热条件下能与空气中的某种气体反应生成固体氧化汞（红色粉末），从而将密闭容器内的这部分气体“消耗”掉，通过测量气体体积的减少量，定量地确定了空气中氧气的含量——氧气约占空气总体积的五分之一；而剩余的五分之四气体既不能支持燃烧，也不能供给呼吸，后来被证明主要是氮气。拉瓦锡的重要贡献在于：他第一次用定量的实验方法证明了空气不是一种单一物质，而是由氧气和氮气两种气体组成的混合物。 教师进一步补充：随着科学技术的发展，后来的科学家又陆续发现了空气中还含有少量的稀有气体、二氧化碳以及其他气体和杂质。现代科学精确测定的空气各成分的体积分数为：氮气约占百分之七十八，氧气约占百分之二十一，稀有气体约占百分之零点九四，二氧化碳约占百分之零点零三，其他气体和杂质约占百分之零点零三。 【设计意图】 通过科学史的引入，让学生了解科学结论的获得不是一蹴而就的，而是经过了几代科学家的不懈探索。拉瓦锡实验的定量思想为学生接下来动手测定空气中氧气含量提供了方法范本，同时也让学生体会到科学研究需要严谨、耐心和创新精神。 任务三：实验探究——测定空气中氧气的体积分数 【任务情境】 教师过渡：拉瓦锡用汞加热的方法测定了空气中氧气的含量，但汞有毒且实验耗时太长。今天，我们能不能在课堂上用更安全、更快捷的方法来重现拉瓦锡的实验结论呢？教师出示红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验装置，引导学生思考实验原理。 【实验原理分析】 教师引导学生分析：红磷是一种固体，它在点燃条件下能与空气中的氧气发生反应，生成一种白色的固体物质（五氧化二磷）。这个反应的特点是：红磷燃烧消耗密闭容器内的氧气，生成物是固体而非气体，因此不会占据原来氧气的体积。这样，密闭容器内的气体总量就会减少，容器内的压强随之降低。当打开弹簧夹时，由于外界大气压大于容器内气压，烧杯中的水就会被大气压压入集气瓶中。进入集气瓶的水的体积，就等于被消耗的氧气的体积。 教师强调关键条件：实验成功的前提是装置必须密闭，红磷的量必须充足，燃烧后必须冷却到室温再打开弹簧夹。 【学生活动】 活动一：认识实验器材。教师展示实验装置：集气瓶（预先将其容积划分为五等份并做好标记）、带橡皮塞和导管的燃烧匙、烧杯、弹簧夹、红磷、酒精灯、火柴。学生逐一识别器材名称和用途。 活动二：教师演示实验，学生观察并记录现象。教师按以下步骤操作：第一步，检查装置的气密性——将导管一端浸入水中，用手紧握集气瓶外壁，观察导管口是否有气泡冒出，松开手后导管内是否形成一段水柱，以此判断装置是否漏气。第二步，在燃烧匙内装入足量红磷，将弹簧夹夹紧胶皮管。第三步，点燃红磷，迅速将燃烧匙伸入集气瓶内并塞紧橡皮塞。第四步，观察红磷燃烧的现象——产生大量白烟，放出热量。第五步，等待装置冷却至室温后，打开弹簧夹，观察烧杯中的水是否沿导管流入集气瓶。第六步，记录进入集气瓶的水的体积约占集气瓶原空气体积的比例。 活动三：学生分组实验。在教师指导下，各小组按照上述步骤亲自动手操作，观察并记录实验现象。教师巡回指导，提醒学生注意安全：红磷燃烧时不要将燃烧匙碰到瓶壁；塞紧橡皮塞后不要松手；冷却过程中不要打开弹簧夹。 活动四：汇报实验结果。各小组汇报本组观察到的现象和进入集气瓶的水的体积。大多数小组会观察到：红磷燃烧产生大量白烟，冷却后打开弹簧夹，水进入集气瓶，进入的水约占集气瓶内原空气体积的五分之一。 【误差分析】 教师引导：有些小组的实验结果可能出现偏差——进入集气瓶的水的体积明显少于五分之一，或者明显多于五分之一。这是什么原因造成的呢？组织学生分组讨论，分析误差来源。 教师总结偏小的常见原因：第一，红磷的量不足，没有将集气瓶内的氧气完全消耗掉，剩余的氧气占据了一定体积，导致进入的水偏少；第二，装置气密性不好，在反应过程中外界空气进入集气瓶，或者在冷却过程中瓶内气体受热膨胀逸出后又有空气进入，影响实验结果；第三，未冷却至室温就打开了弹簧夹，此时瓶内气体温度偏高、压强偏大，进入的水偏少；第四，导管内事先没有注满水，冷却后部分水留在导管中，进入集气瓶的水偏少。 教师总结偏大的常见原因：第一，点燃红磷后伸入集气瓶的速度过慢，塞紧橡皮塞之前瓶内气体受热膨胀逸出了一部分，冷却后瓶内压强减小得更多，进入的水偏多；第二，弹簧夹没有夹紧胶皮管，红磷燃烧时瓶内气体受热从导管逸出，导致最终进入的水偏多。 教师追问思考：能不能用木炭、硫或铁丝代替红磷来做这个实验？引导学生从生成物状态的角度思考——木炭燃烧生成二氧化碳气体，硫燃烧生成二氧化硫气体，它们都会补充消耗掉的氧气体积，瓶内压强几乎不变，水不会进入集气瓶；铁丝在空气中不能燃烧，无法消耗氧气。因此，测定空气中氧气含量的可燃物必须满足两个条件：一是能在空气中燃烧，二是燃烧后的生成物为固体。 【设计意图】 本环节是本节课的核心探究活动。通过教师演示与学生分组实验相结合，让学生亲眼观察红磷燃烧的现象，亲身经历“实验操作—现象观察—数据记录—结论推导”的完整科学探究过程。误差分析环节培养了学生严谨求实的科学态度和批判性思维，“能否用其他物质代替红磷”的追问则深化了学生对实验原理的理解，实现了从“知其然”到“知其所以然”的提升。 任务四：数据梳理——空气的组成及各成分体积分数 【任务情境】 教师引导：通过实验，我们已经知道氧气约占空气体积的五分之一。那么，空气中的其他成分分别是什么？它们各占多少比例呢？让我们一起来整理和归纳空气的组成。 【学生活动】 活动一：填写空气组成表格。教师在大屏幕上出示一个空白表格，引导学生结合实验结论和教材内容，填写空气中各成分的名称及其体积分数。学生归纳出：氮气约占百分之七十八，氧气约占百分之二十一，稀有气体约占百分之零点九四，二氧化碳约占百分之零点零三，其他气体和杂质约占百分之零点零三。 活动二：体积分数的理解。教师特别强调：空气中各成分的含量是按体积分数计算的，而不是质量分数。可以通俗地理解为：如果把一百升空气放在一起，其中大约有七十八升氮气、二十一升氧气、零点九四升稀有气体、零点零三升二氧化碳，剩余的零点零三升是其他气体和杂质。 活动三：空气成分的相对稳定性。教师补充说明：一般来说，空气的成分是比较固定的，但并不是一成不变的。不同地区、不同环境下，空气中各成分的比例可能会略有差异。例如，在工厂密集的地区，空气中二氧化碳和有害气体的含量可能偏高；在绿化良好的地区，氧气含量可能略高。但总体而言，空气的基本组成是相对稳定的。 【设计意图】 通过表格整理和体积分数的通俗解释，帮助学生系统掌握空气的组成知识。强调“体积分数”这一概念，避免学生将体积分数与质量分数混淆，这是本节内容的易错点之一。同时，让学生认识到空气成分的相对稳定性与动态变化，为后续学习空气质量保护埋下伏笔。 任务五：概念建构——纯净物与混合物 【任务情境】 教师提问：空气是由氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳等多种物质组成的，而氧气只是一种物质。那么，我们能否根据组成物质的种类多少，对身边的物质进行分类呢？由此引出纯净物和混合物的概念。 【学生活动】 活动一：概念归纳。教师引导学生从空气和氧气的对比中归纳定义：像空气这样由两种或两种以上的物质混合而成的物质，叫做混合物；像氧气这样只由一种物质组成的物质，叫做纯净物。 活动二：概念辨析。教师出示一组物质：氮气、二氧化碳、红磷、河水、矿泉水、洁净的空气、液氮、稀有气体、蒸馏水、牛奶。让学生判断哪些是纯净物，哪些是混合物，并说明判断理由。 学生讨论后教师总结：氮气、二氧化碳、红磷、液氮、蒸馏水都只由一种物质组成，属于纯净物；河水、矿泉水、洁净的空气、稀有气体、牛奶都由多种物质组成，属于混合物。教师特别提醒：“洁净的空气”看似干净，但它仍然由氮气、氧气等多种气体组成，因此是混合物；“稀有气体”是氦、氖、氩、氪、氙等多种气体的统称，也是混合物；而“液氮”只是液态的氮气，仍然只由一种物质组成，是纯净物。 活动三：混合物中各成分的性质。教师进一步引导：混合物中各成分都保持着各自的性质。例如，空气中的氧气仍然具有支持燃烧和供给呼吸的性质，氮气仍然具有稳定性。混合物并不是各成分发生了化学反应生成了新物质，而是简单地混合在一起，各成分之间没有发生化学变化。 【设计意图】 从空气是混合物这一结论自然引申出物质分类的概念，符合学生的认知逻辑。通过大量具体实例的辨析，帮助学生准确理解纯净物与混合物的本质区别，突破“洁净的空气是纯净物”等常见思维误区。这一概念的建立，为后续学习元素、化学式等内容奠定了分类基础。 任务六：拓展应用——氮气与稀有气体的性质和用途 【任务情境】 教师过渡：空气中含量最多的气体是氮气，约占空气体积的百分之七十八。氮气在生产和生活中有哪些重要用途呢？除了氮气和氧气，空气中含量极少的稀有气体又有什么特别之处呢？让我们通过阅读教材和联系生活来了解。 【学生活动】 活动一：阅读教材，归纳氮气的性质与用途。学生阅读教材中关于氮气的内容，归纳出：氮气是一种无色无味的气体，难溶于水，常温下化学性质很不活泼，既不能支持燃烧，也不能供给呼吸。但在一定条件下，氮气也能与某些物质发生化学反应。氮气的主要用途包括：作保护气（如食品包装袋中充入氮气防腐、灯泡中充入氮气延长使用寿命）；制氮肥的重要原料；医疗上用液氮作冷冻麻醉剂；超导材料在液氮的低温环境下能显示超导性能。 活动二：联系生活，了解稀有气体的用途。教师引导学生结合生活经验和教材内容，归纳稀有气体的性质和用途：稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙等气体，它们都是无色无味的气体，化学性质极不活泼，一般不与其他物质发生化学反应，因此曾被称为“惰性气体”。稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，因此可用于制作多种用途的电光源，如霓虹灯、航标灯、闪光灯、强照明灯等。氦气密度小且性质稳定，可用于填充探空气球；氙气可用于医疗麻醉。 活动三：性质决定用途的观念建构。教师引导学生总结规律：物质的性质决定物质的用途，物质的用途反映物质的性质。例如，正是因为氮气化学性质不活泼，所以可以用作保护气；正是因为稀有气体在通电时能发出不同颜色的光，所以可以用作电光源。这是化学学科认识物质的基本思路。 【设计意图】 本环节将空气组成的知识与生产生活实际相联系，让学生感受到化学知识的实用价值。通过归纳氮气和稀有气体的性质与用途，帮助学生初步建立“性质决定用途”的化学观念，这是化学核心素养中“化学观念”的重要组成部分。 任务七：课堂小结与反思提升 教师引导学生共同回顾本节课的学习内容：我们通过实验证明了空气的存在；回顾了拉瓦锡定量研究空气组成的科学史；动手测定了空气中氧气的体积分数，知道氧气约占五分之一；系统掌握了空气各成分的体积分数；学习了纯净物与混合物的分类方法；了解了氮气和稀有气体的性质与用途。 教师提出反思性问题：通过本节课的学习，你认为科学研究中最重要的品质是什么？引导学生体会严谨、求实、创新、合作的科学精神。教师最后布置课后思考：空气中的二氧化碳含量虽然很少，但它对地球生态环境有什么重要意义？如果空气中二氧化碳含量过高会带来什么问题？请同学们课后查阅资料，下节课交流分享。 六、板书设计 第2单元 第1节 空气的组成（第一课时） 一、空气是真实存在的 倒扣入水有气泡 ｜ 木条伸入能继续燃烧 二、拉瓦锡的定量实验 汞在加热条件下与氧气反应生成红色固体 结论：氧气约占空气体积的五分之一，氮气约占五分之四 三、实验室测定空气中氧气含量 可燃物：红磷（足量） 原理：红磷燃烧消耗氧气，生成固体，瓶内压强减小，水进入集气瓶 现象：红磷燃烧，产生大量白烟；冷却后打开弹簧夹，水进入集气瓶约占1/5 结论：氧气约占空气体积的五分之一 四、空气的组成（体积分数） 氮气 78% ｜ 氧气 21% ｜ 稀有气体 0.94% 二氧化碳 0.03% ｜ 其他气体和杂质 0.03% 五、物质的简单分类 纯净物：只由一种物质组成（如氧气、氮气、蒸馏水） 混合物：由两种或两种以上物质混合而成（如空气、河水、矿泉水） 六、氮气与稀有气体 氮气：性质稳定，可用作保护气、制氮肥、液氮冷冻 稀有气体：通电发光，可制作电光源、氦气填充气球 学科网（北京）股份有限公司 $