化学实验现象总结（精选11篇）
1.2.铁与硫酸铜溶液反应：铁丝表面覆盖了一层红色的铜，溶液由蓝色变为浅绿色。
3.铜与硝酸银溶液反应：铜丝表面覆盖了一层银白色的银，溶液由无色变为蓝色。
4.5.6.7.8.氧化铜和稀硫酸反应：黑色固体逐渐减少，溶液由无色变为蓝色。
9.大理石和稀盐酸反应：固体逐渐消失，生成一种使澄清石灰水变浑浊的气体。
10.11.12.13.14.镁在氧气中燃烧：发出耀眼白光，放出热量，生成一种白色粉末。
15.氢气在氧气中燃烧：发出淡蓝色火焰，放出热量，烧杯内壁产生小水珠。
16.一氧化碳在氧气中燃烧：发出蓝色火焰，放出热量，生成一种使澄清石灰水变浑浊的气体。
实验中异常现象的出现, 会给学生造成认知冲突的失衡。教师若不及时加以正确的引导和彻底解决, 势必会影响教学效果, 给学生留下知识盲点, 并失去对实验教学的信心。找出产生异常现象的原因, 是培养学生实事求是、严谨认真、善于观察、自主探究的科学素质的一种有效的方法和途径, 同时, 也给教师本身也提供了一个提高专业素质, 增强分析问题和解决问题能力的机会。实验异常的主要原因有以下几点。
一、因试剂的纯度引起的实验异常
高中化学实验中, 不同的实验对其所选择的实验药品纯度的要求也是不同的。限于中学化学实验条件, 有些实验往往产生“失常”现象。
例如, 在做甲烷的燃烧实验时, 用无水醋酸钠和碱石灰制备CH4气体, 在用石英玻璃管燃烧时却发现火焰呈黄色。这是由于制备气体时反应物受热不均匀, 局部温度过高所致, 使产生的甲烷不纯, 含有丙酮等杂质气体。因此可以在实验前将无水醋酸钠和碱石灰充分炒干、研细、混匀, 同时要保证碱石灰过量。
二、药品保存方面引起的实验异常
实验室购置的药品不一定会马上使用。有些药品会因为在实验室保存过程中, 由于长时间与空气中的氧气、水蒸气等作用或者人为地药品保存不当而发生变质, 最终导致实验过程中异常现象的出现。
三、因药品用量的不同引起的实验异常
实验过程中, 特别是在学生做实验时, 由于实验习惯的问题, 在取用药品时用量很随意, 很容易出现出乎意料的现象。
例如, 在做银镜反应实验时, 在洗净的试管里注入1 ml Ag NO3溶液, 然后加氨水到完全溶解, 再滴几滴新配的乙醛溶液后, 水浴加热几分钟却始终得不到光亮的银镜。原因是银氨溶液配制时氨水量未控制好引起的。在向Ag NO3溶液中滴加氨水不可过量, 教材描述为“氨水加到生成的沉淀刚好溶解为止”。实践经验证明, 氨水过量越多, 银镜反应的效果越差。建议加氨水时直到最初产生的沉淀溶解到还略显浑浊为止, 这种银氨溶液氧化能力最强, 实验效果非常好。
四、因实验温度控制不当引起的实验异常
温度是影响化学反应速率和反应趋势的一个重要方面。温度的高低往往决定了一个反应能否发生、向什么方向发生等问题。所以, 温度的合理控制对实验现象与实验结果至关重要。
例如, 在做乙醇的氧化实验时, 将螺旋状的铜丝加热变黑后, 如不迅速插入乙醇, 反复几次, 并不会看到铜丝变红亮, 也不会闻到有刺激性气味。因为铜丝插入速度太慢, 使铜丝温度下降后反应就不能发生了。
在实际的实验教学中, 除了上述原因以外, 所用试剂的浓度大小、试剂选用的恰当与否、酸碱介质环境、仪器的选用及装置是否合理, 以及实验操作者自身基本操作是否过关等方面也会引起实验的异常现象。
通过查阅文献和实验操作探讨了苯酚溴代反应机理及可能的生成产物，探究了苯酚与溴水最佳反应浓度，并采用了三种不同方式反应同时用红外对反应产物进行了分析。实验探究证明，溴水不足量时，生产的少量白色沉淀振荡时溶解；溴水足量时，产物为三溴苯酚白色沉淀；溴水过量时，产物为淡黄色难溶于水的四溴化物。
关键词：三溴苯酚；反应机理；实验探究；溴代产物
1.引言
异常实验主要是由实验反应机理、药品的质量、溶液的浓度、仪器装置的选择、反应条件的调控等主、客观因素的差异造成的实验现象或结果“异常”的实验。“异常实验”的发生大多具有原因的不确定性、过程的探究性、思维的不约束性等，常见类型有：（1）因复杂的反应机理而导致“异常现象”（2）因药剂的质量、用量和纯度、溶液的浓度的不同而导致的“异常现象”（3）因仪器装置的选择造成的“异常现象”（4）因反应条件的调控而导致的“异常现象”（5）因副反应引起的“异常现象”（6）其它因素的影响而引起的“异常现象”。
化学“异常实验”有什么教学价值呢？可归结为以下几个方面：1.“异常现象”的情景性、探究性与开发性的特点，有利于为“探究性学习”营造良好的教学环境；2.引发学生的好奇心，激发学习动机，培养学生的求异思维和创新精神；3.通过对化学“异常”实验的探究使学生掌握多种实验方法，增强学生的实践能力、合作能力，提高学生的科学素养；4.通过化学“异常”实验培养学生实事求是、严肃认真的科学作风和良好行为习惯。
本论文中关于苯酚和溴水的反应，在中学化学教学中,演示苯酚溶液与溴水反应的实验操作时,当滴入的浓溴水量较少时,振荡,生成的白色沉淀立即消失,当滴入的浓溴水过量时又往往会生成黄色沉淀，无法得到满意的实验现象。中学演示实验时经常看到一些教师边演示边结合这一现象嘱咐学生“要加入足量的浓溴水,才能生成2,4 ,6--三溴苯酚,否则会生成易溶于水的一溴苯酚或二溴苯酚”。我们还发现人教版新课标教材教师教学用书中的“教学建议”也有类似表述“溴水量较少时,可能生成一溴苯酚或二溴苯酚而不沉淀”。所以我们要想上述解释是否确切，是不是正如老师们、教学建议所述。我们还会想足量的浓溴水,才能生成2,4,6--三溴苯酚，那么溴水过量的时候呢？
为此，我们希望通过实验探究能够得到满意的答案。为保证实验的科学合理性，在充分了解苯酚和溴水反应机理的前提下，我们还需要对苯酚和溴水反应的最佳浓度选择进行简单研究。
2.实验部分
2.1 试剂与仪器
试剂：
饱和溴水（分析纯3%；天津市科密欧化学试剂有限公司）;
苯酚（重精馏）（指定分析纯；天津市科密欧化学试剂有限公司）；
亚硫酸氢钠（分析纯；天津市塘沽新华化工厂）；
苯（分析纯≥99.5%；天津市化学试剂一厂）；
碘化钾（分析纯≥98.5%；天津市科密欧化学试剂有限公司）；
四氯化碳(分析纯≥99.5%；天津市化学试剂一厂)；
主要仪器：
AVATAR-360 FI-IR光谱仪（美国PE公司，KBr压片）；
TG328A电光分析天平（上海天平仪器厂）；
台式离心机（上海安亭科学仪器厂）；
ＳＨＺ－Ｄ（ＩＩＩ）循环水式真空泵（郑州市巩义华玉仪器厂）
试剂瓶（若干，分装不同浓度苯酚溶液、浓溴水、KI溶液等）；
烧杯（50ml、100ml、250ml、500ml各若干）；
吸量管（10ml）；容量瓶（250ml）；
小试管、小量筒、离心试管（各若干个）
酒精灯、玻璃棒等；
2.2. 苯酚與溴水反应机理的探讨
苯酚负离子的氧原子带有负电荷,它有供电子的诱导效应( + I效应) ,同时其未共用电子对又与苯环形成共轭体系,电子云向苯环转移( + C效应)。综合考虑未电离的羟基吸电子效应( - I) ,总结果是+C效应> - I效应,因此使苯环羟基的邻、对位活化。苯酚在极性水分子的作用下首先发生电离,溴化是通过生成苯氧负离子历程进行的,它的浓度虽然很低,但反应活性高,溴化速率比苯酚在非极性溶剂中快得多,反应机理如下图所示。
■
在苯环上导入溴原子以后,酸性增强,相应的一溴苯氧负离子、二溴苯氧负离子的平衡浓度增加并迅速转移,继续溴化的速率比未取代的苯氧负离子更快,因此,向苯酚水溶液中滴入溴水,极容易进一步溴化,直至生成2,4 ,6--三溴苯酚。
由以上机理的探讨我们可得出如下结论：
在水溶液中,苯酚与溴发生的亲电取代反应,是通过生成苯氧负离子历程进行的,苯氧负离子及溴代苯氧负离子一旦形成,无法停留在一溴和二溴取代阶段,也就是说苯酚在水为溶剂时发生溴代反应,很难生成一溴代物、二溴代物，原则上只生成2 ,4 ,6--三溴苯酚。
2.3. 苯酚与溴水反应最佳浓度的选择
高中化学教材学生实验“苯酚的性质”:1、在试管里滴2滴苯酚稀溶液再加4mL水,振荡,然后逐滴滴加饱和溴水,直到有白色浑浊现象出现为止。2、在试管里滴入几滴苯酚稀溶液,再加约3mL水,振荡,然后逐滴滴入FeCl3溶液观察现象。这两个反应都属于灵敏反应,如果溶液浓度合适,实验现象就很明显。但是,在我们实验的过程中发现了如下一些问题：
（1）苯酚溶液稍浓,饱和溴水滴到苯酚溶液中先出现沉淀然后消失,这是因为生成的三溴苯酚又溶于过量的苯酚溶液中,这就需要加入大量溴水。为了避免加入溴水量过大,所以苯酚溶液的浓度一定要稀,但是究竟稀到什么程度呢？
（2）即使苯酚溶液很稀,溴水浓度如果不够,实验效果也不理想。另外,溴水越浓越易挥发,气味难闻且腐蚀性越强,易污染实验室空气影响身体健康。因此,溴水的浓度应是在实验允许的条件下越小越好。
带着以上两个问题我们分别进行了实验得到以下数据和结论(实验步骤从略) ,实验数据.
（1）用饱和溴水与不同浓度的苯酚溶液反应,苯酚的浓度越小溴水的用量越少,当苯酚的浓度为0. 0001mol/L时滴入溴水无浑浊现象，苯酚浓度为0.0005mol/L时滴入溴水混浊不明显。因此本实验苯酚溶液的浓度选0.001mol/L比较合适。
（2）用不同浓度的溴水(饱和溴水成倍稀释)与相同浓度(0.001mol/L)的苯酚溶液反应,溴水越浓用量越少,为了减少溴水的挥发,我们平时验证性及简单实验操作时可将饱和溴水稀释1至2倍,但在本实验探究中，为使实验现象更明显，保证溴水过量的操作简单，我们选饱和溴水即可。
2.4苯酚和溴水反应的三种操作
2.4.1
配制苯酚饱和水溶液并取2滴，用水稀释至2mL，逐滴滴入饱和溴水，当溶液中开始析出的白色沉淀转变为淡黄色时，即停止滴加，然后将混合物煮沸1~2min，以除去过量的溴，冷却后又有沉淀析出，在此混合物中滴入1%的KI溶液数滴及1mL苯，用力振荡，沉淀溶于苯中，析出的碘使苯层呈现紫色，观察现象。
2.4.2
取熔融的苯酚2滴（约0.08克）加水稀释至2mL，取稀释后的溶液2滴，逐滴滴入饱和溴水，当滴加第一滴时可以看到有白色浑浊出现、且不会消失，滴入第二滴时立刻有白色沉淀析出。继续滴加到20滴左右时充分振荡试管后静止片刻，用吸管吸去上层黄色溶液再滴加15滴饱和溴水，然后将反应物倒到滤纸上就会看到白色沉淀转化为黄色，现象十分明显。
2.4.3
在盛有少量稀苯酚溶液(0.001mol/L）的试管中逐滴加入浓溴水，边加边摇，直至反应混合物刚好由白色变为浅黄色为止（溴水稍过量），然后滴入稍许亚硫酸氢钠溶液（还原剂），使浅黄色褪去，此时观察到的白色沉淀就是三溴苯酚。
分别将以上三种操作制得的沉淀经多次洗涤、抽滤后做红外，并分析红外谱图，验证三种操作所得沉淀是否均为三溴苯酚，进而探究产生黄色沉淀的原因。
参考文献：
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1.观测夫琅禾费衍射现象，理解衍射原理； 2.用单缝衍射原理测定狭缝的宽度。
【实验原理】
光的衍射现象是光的波动性的重要表现。根据光源及观察衍射图象的屏幕（衍射屏）到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种，前者是光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射；后者则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源至单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均为无限远（或相当于无限远），即要求照射到单缝上的入射光、衍射光都为平行光，屏应放到相当远处，在实验中只用 两个透镜即可达到此要求。实验光路如图六所示，L 1 L 2φx k /2 与狭缝 E 垂直的衍射光束会聚于屏上 P 0 处，是中央明纹的中心，光强最大，设为 I 0，与光轴方向成Ф角的衍射光束会聚于屏上 P A 处，P A 的光强由计算可得：
式中，b 为狭缝的宽度，为单色光的波长，当β=0 时，光强最大，称为主极大，主极大的强度决定于光强的强度和缝的宽度。
当β=Kπ，即：
时，出现暗条纹。
除了主极大之外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，由数学计算 可得出现这些次极大的位置在β=±1.43π，±2.46π，±3.47π，…，这些次极大的相对光强 I/I 0 依次为 0.047，0.017，0.008，… 220sinI I A )sin( bbK sin），， 3 2 1(K图六
π π π π 2π ππ π 1.43π 2.46πβ 图七夫琅禾费衍射的光强分布 夫琅禾费衍射的光强分布如图七所示。
e-Neφ 图八
夫琅禾费单缝衍射的简化装置
用激光器作光源，则由于激光束的方向性好，能量集中，且缝的宽度 b 一般很小，这样就可以不用透镜 L 1，若观察屏（接受器）距离狭缝也较远（即 D 远大于 b）则透镜 L 2 也可以不用，这样夫琅禾费单缝衍射装置就简化为图八，这时，则 【实验步骤】
1.测量单缝的宽度 ①连接好实验装置，调节激光器的方位及旋转激光器的前端，使激光器发出平行于光具座的平行光。前后移动接收屏，使直接接收的激光光斑的位置、大小不变。
②将有单缝的衍射屏放在支架上；使衍射屏靠近激光器。调节衍射屏支架上的相应旋钮，使激光垂直照射到 最窄 的单缝上(怎样判断达到了垂直照射)，测量单缝到测距器的距离 D，在光具座直接读出距离即可； D x/ tan sin x D K b /
③ 测出两条第一级、第二级衍射暗条纹中心之间的距离 2x 1，2x 2(注意 一次测量过程中 鼓轮旋转不能反转)，即可求出第一级、第二级到中央零级明纹中心距离x 1，x 2，将 =690nm、x 1、x 2，和 D 及 K=1、2 的值代入公式 计算出单缝宽度，用不同级数的结果计算单缝宽度的平均值。重复测量三次.注意：处理数据时请统一物理量的单位为毫米。
2.观察其它衍射图像。
[ [ 数据记录与处理] ]
记录表格 =690nm=
mm;
D=
mm
根据实验数据，计算单缝宽度 b b 及误差。
写出测量结果的完整形式。
[ [ 思考问题] ]
根据测量结果，分析误差的主要来源；
次数 X 2L mm X 1L mm
X 1R mm
X 2R
mm
x 1 =(X 1R-X 1L)/2 mm
x 2 =(X 2R-X 2L)/2
mm
x D K b /
1.主要技术参数与指标 1、导轨：1250mm。、半导体激光器座：配φ16 半导体激光器。、小孔狭缝板及光栅板规格（图一、图二）
XXX 应用心理学 X 班
摘要
该实验是在黑色背景下以两个红色亮点为研究对象，在时间距离和空间距离两个变量的影响下，观察两个亮点之间的关系是先后出现、同时出现还是由一点向另一点移动；根据实验结果来判断两点产生似动现象的最优时空条件。了解似动现象的时间和空间条件。
关键词 似动现象
时间知觉 空间知觉 1.引言
两个间隔一定距离的静止刺激物，以适当的时间间隔先后呈现。观察者会产生刺激物由一点移动到另一点的感觉，这种现象称为似动现象。似动现象是指当某一物体实际上没有发生空间位移而被知觉为好像在运动，是一种对静止物体产生的运动错觉。
似动现象是由于先后呈现的刺激作用于感受野使机体产生了与真实运动相似的生理刺激。第一个刺激停止后，它所引起的神经兴奋还会持续一个短暂的时间，在这个短暂时间内，如果还出现第二个刺激，它所引起的神经兴奋就会与第一个刺激所引起的暂时持续的兴奋相连，所以感觉上第一个刺激就移动到第二个刺激的地方。
德国心理学家 M.韦特默，于 1912 年最早研究似动现象。电影、电视的摄制和放映就是利用了似动现象的原理。对象与方法
2.1 被试
西昌学院教师教育学院 2018 级应用心理学班 2 班同学 1 名，矫正视力正常，色觉正常，左右手正常。
2.2 仪器
实验仪器为计算机，PsyKey 实验平台，耳机 2.3 实验材料
黑色屏幕，红色小圆点 2.4 程序
在黑色背景上先后呈现两个红色小圆点（直径 0.5cm）两个小圆点可在不同的时间距离和空间距离条件下呈现。在每种空间距离的条件下按照 5ms、10ms、20ms、60ms、100ms、150ms、200ms、250ms、300ms、350ms、400ms、500ms 这 12 个时许的升序和降序做 24 次判断。在每种时距，空距条件下，演示一次从左到右的相继呈现：
刺激 1
→
时距
→
刺激 2 60ms
5-500ms
60ms 空间距离的实验顺序按照拉丁方的方法进行排列，将被试随机分成甲乙丙三组，分别按三种不同顺序进行实验，图示如下：
表 表 1 实验顺序设计
组别
顺序 甲
乙
丙
在每个空距条件下，时距从 5ms 开始，依次增加到 500ms，每个时距做一次判断，让被试判断两个刺激是同时出现、先后出现、还是一个刺激从一点向另一点移动；然后再从 500ms 开始，逐渐减少到5ms，同时每个时距做一次判断。每个被试对空距判断 24 次，三个空距共判断 72 次。
3.结果
表 表 2 同时、似动和先后的 次数百分数
时距 空距 5
150
200
250
300
350
400
500
同时 动 先后 16
0
0
0
0
0 51
0
0
0
0
0
0
0 33
同时 动 先后 51
0
0
0
0
0
0 16
0
0
0
0
0
0
0
0
0
同时 动 先后 33
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0 67
表 表 3 同时、似动和先后的平均次数百分数 时距 空距（cm)5
150
200
250
300
350
400
5005 8 16
0
0
0
0
0 51
0
0
0
0
0
0
0 33
图 图 1 各时空距离下观察亮点的似动次数比
***5 10 20 60 100 150 200 250 300 350 400 500似动次数百分数（%）)时距（ms)2cm5cm8cm
分析与讨论
4.1 由实验结果可得出，时距一定时，空距越大，似动现象越难产生。空距一定时，时距越大，似动现象越难产生。
4.2 因为背景为黑色，被试需要在黑色背景板上长时注视两红点的运动状态，可能会眼花，产生的视错觉与生活中正常的视错觉会有些偏差，也可能导致实验结果产生一定误差。
4.3 在排除录入数据出错的情况，被试的部分数据明显不符合实验要求，这可能是因为实验存在疲劳误差和练习误差和期望误差。因为本实验需进行多次重复实验，实验程序较为简单，被试易产生疲劳误差，需要主试合理安排被试的实验时间，减少疲劳误差。为了避免可能产生的疲劳误差和练习误差主试需要合理安排被试实验时间。
4.4 不同个体间一定存在个体差异，本实验仅一被试，实验结果不具代表性，且本次实验数据可能受疲劳误差，练习误差，期望误差以及环境影响，实验结果可能具有极大不准确性。故此实验应该需要大量被试，且实验需要在安静的环境中进行。
结论
本次实验中，该被试的最优空距为 2cm,最优时距为 5cm。
存在疲劳误差，练习误差，期望误差，且受环境影响。参考文献
[1]郭秀艳.实验心理学[M]
比如说我们生活中常穿的涤纶布料的衣服，穿起来透气性不好，舒适程度差，如果经过改善制作工艺，加入一些特殊的材料，制成了像真丝一样的衣服，又柔软，透气性又好，人们穿起来就会舒服很多。这就是化学在“衣”方面发挥的重要作用。
说道“食”，就更离不开化学了，异常是尿素的合成与氨的合成了。人类过去都是靠天吃饭的，但随着人口的急剧增加，异常是我国，虽然国土面积大，但能用于种植粮食作物的土地还是有限的，又加上人口众多，解决十几亿人的温饱问题是至关重要的。19，德国的一位着名的化学家哈勃解决了这个问题，让氨气与氢气在高温高压以及催化剂的作用下生成了氨气，进而合成了肥料，提高了粮食的亩产量，解决了人们的温饱问题。这是人类发展史上的一个重要突破。
再说“住”，中国传统的住宅以木料为主，在结构和层高上都受到必须的限制，由于有了化学，人们利用先进的化学工艺合成很多合成材料，比如水泥的发明和使用，使现代房屋从构造到布局再到层高都发生了翻天覆地的变化，使现代建筑更加美观耐用。同时装修材料的发展也为我们的住房供给了多姿多彩的装饰。再如我们粉刷墙壁用的熟石灰就是生石灰与水发生反应生成的，把熟石灰均匀的涂在墙体上，等风干后就成了洁白坚硬的碳酸钙，覆盖了墙体的颜色，房子才显得美观又整洁明亮。另一个重要的化工产品就是玻璃了，既结实耐用，又透光性好，随着化学的提高已经制出各种性质不一样的玻璃以满足不一样用途的需求，如钢化玻璃、防弹玻璃、磨砂玻璃，等离子玻璃等。化学上传统的三大工艺玻璃水泥陶瓷的广泛使用，才使得我们的房屋更加漂亮又实用。
最终一个方面就是“行”，在古代主要挂靠人力和畜力出行，不但不方便，并且速度也慢。所以古代人由于距离产生的相思在现代由于化学发挥了很重要的作用就不再是问题。比如现代应用最广泛的老百姓最常用的电动车就离不开化学知识。电动车供给动力的来源是电池。电池为什么能供给电能进而转化为机械能从而使电动车快速运动的呢这就要用到化学原理了，以生活中应用最普遍的铅蓄电池为例，在工作时是铅蓄电池中的铅和二氧化铅以及硫酸发生反应，使化学能转化为了电能。还有汽车、火车、飞机等交通工具方便了人们的出行，他们的使用也离不开化学的发展。所以说化学能是各类交通工具得以行动的最原始的能量来源。
由此可见，化学与生活中的“衣食住行”等各个方面难以分割。化学是我们日常生活中很重要的一部分，不管我们是否在生活中真正意识到，化学渗透到生活的每一个角落。烹饪过程中就涉及到一系列的化学变化，必须意义上来说一个好的厨师就是一名化学家。将食品中的各种化学成分调配的最有营养是一门艺术。大家都喜欢吃的烧烤完全是化学反应，你烧烤的食物味道是好是坏在于化学成分的调配。蔗糖受热熔化的同时会发生化学变化变成焦糖，了解这一点，就能做出色香味俱全的食物，另一方面做馒头用的苏打也是化学在现实生活中应用的典范。我们明白事物的性质和颜色有关，那么食物是否变质能够经过观察颜色而辨别食物是否变质，是否能够安全食用。我们用铁锅来做汤，一般不用铝锅，这些全包含化学原理。我们能够利用渗透作用腌制各种不一样的食品，腌制食品和其他防腐方法都用到化学原理。
1. 将酚酞试剂滴入Na OH溶液中 , 有时会出现开始变红,很快红色变成无色的现象,为什么? 在浓硫酸中滴入酚酞试剂变橙色,为什么?
酚酞是一 种有机弱 酸 ,它在酸性( p H值在0~8.2) 溶液中,形成无色分子( 内酯式结构,如图乙) 。但随着溶液中H+浓度的减小,OH-浓度的增大( p H>8.2) ,酚酞分子结 构发生改变,并进一步电离成红色离子( 醌式结构,如图丙) 。如果OH-的浓度过大( p H>10) ,红色离子又转化为无色离子( 羧酸盐式结构,如图丁) 。如果在强酸性( p H<0) 溶液中则主要以三苯基甲烷碳正离子衍生物( 橙色,如图甲) 的形式存在,而且酸性越强,浓度越大,颜色越深。这些转变过程都是可逆的,条件改变,颜色随之可能发生改变。
综上可知:
( 1) 滴加酚酞试剂显无色的溶液可能是弱碱性的溶液 ,也因此原因, 酚酞只能检验碱性溶液, 而不能检验酸性溶液。
( 2) 将酚酞试剂滴入碱性溶液中时 , 看到开始变红 ,很快红色变成无色,是因为OH-浓度过大( p H>10) 。为了验证这个褪色现象是否因空气中CO“2 闯入”所造成 ,可继续往变成无色的溶液中再滴加酚酞,如果还是无色,则说明是CO2“闯入” 之故 ; 若变红色 , 表明溶液仍为碱性 ( 即使有CO2“闯入”问题)。实验现象是再次滴入酚酞,溶液呈现红色,振荡过程中又变成无色,表明酚酞在强碱性浓溶液中为无色。
( 3) 在酸性溶液中滴入酚酞试剂变橙色是因为溶液酸性过强( p H<0) 。验证的方法是:把滴有酚酞变橙色的强酸的浓溶液反复震荡, 发现不变色, 若把橙色溶液倒入大量水中,则变成无色溶液。
2.氨水中滴加酚酞试剂变红 ,久置后变为无色 ,为 什么 ?
氨水是弱碱性溶液,滴加酚酞变红色。氨水中存在以下平衡:
由于酚酞试剂的p H值的变色范围是8.2~10.0。久置,由于其强挥发性,氨水浓度降低,p H落到8.2以下,因而由红色变为无色。
3.纯碱溶液中滴加酚酞为何显红色 ? 如何证明是碳酸根离子造成的?
纯碱是强碱弱酸盐,阴离子会发生水解:
水解产生氢氧根离子显碱性, 故而滴加酚酞变红色,反过来如果没有碳酸根离子就没有碱性产生。验证的方法是:在纯碱溶液中加入稍过量的氯化钙 ( 或氯化钡、硝酸钙、硝酸钡) ,充分反应后过滤,滤液中滴加酚酞试剂,可看到红色消失。在不同版本的九年级化学教材中就化肥的使用问题都提到草木灰( 主要成分是碳 酸钾) 溶液显碱 性 ,不可与铵 态氮肥混用,其显碱性原理和以上相类似。
4.向 含有酚酞的 Na OH 溶 液中滴加双氧水 , 溶液由红色变为无色,为什么?
H2O2是氧化性非 常强的物 质 ,可以作漂 白剂、氧化 剂、制氧剂等。酚酞是具有酚羟基结构的有机物,H2O2的氧化性使苯环上的酚羟基被氧化。因此,向含有酚酞的Na OH溶液中滴加双氧水,溶液由红色变为无色是因为其氧化性改变了酚酞分子的结构。
关键词：化学实验 现象异常 成因 利用
化学作为一门以实验为基础的自然科学，要实施素质教育、创新教育以及新课程改革教学，实验教学发挥着极其重要的作用。在化学实验教学过程中，无论是教师课堂演示还是学生实验，由于种种原因，有时会出现一些与预料的正常实验结果不相符合的现象，其中有颜色变化的异常，生成物气味的异常，事故发生的异常等等。
实验中异常现象的出现，会对学生造成认知冲突的失衡。教师若不及时加以正确的引导和彻底解决，势必会影响教学效果，给学生留下知识盲点，并自身失去对实验教学的信心。找出产生异常现象的原因，变“异常”为“正常”，是培养学生实事求是、严谨认真、善于观察、自主探究的科学素质的一种有效的方法和途径，对教师本身也提供了一个提高专业素质，增强分析问题和解决问题能力的机会。
一 、实验现象异常的成因
1.因试剂的纯度引起的实验异常
高中化学实验中，不同的实验对其所选择的实验药品纯度的要求也是不同的。限于中学化学实验条件，有些实验往往产生“失常”现象。例如在做甲烷的燃烧实验时，用无水醋酸钠和碱石灰制备CH4气体，在用石英玻璃管燃烧时却发现火焰呈黄色。这是由于制备气体时反应物受热不均匀，局部温度过高所致，使产生的甲烷不纯，含有丙酮等杂质气体。因此可以在实验前将无水醋酸钠和碱石灰充分炒干、研细、混匀，同时要保证碱石灰过量。
2.因试剂加入顺序的先后引起的实验异常
教师或学生在实验中，若将化学试剂的加入顺序变更以后，有可能引起实验现象不明显甚至得到截然不同的实验结果。例如在做溴与苯酚取代实验时，将苯酚溶液加到浓溴水中，观察不到白色沉淀，而只能见到溶液变成了黄色。若将反应物的加入顺序改为“将1-2滴浓溴水滴入苯酚溶液中”，保证反应中苯酚过量，则预期现象很明显。
3.药品保存方面引起的实验异常
实验室购置的药品不一定会马上使用。有些药品会因为在实验室保存过程中，由于长时间与空气中的氧气、水蒸气等作用或者人为地药品保存不当而发生变质，最终导致实验过程中异常现象的出现。比如在检验Na2SO3中的SO32-离子时，加入BaCl2溶液后产生大量白色沉淀，加入稀HCl后，产生可以使石蕊试纸变红的酸性气体。但是无论HCl量多少，试管中始终会有少量白色沉淀无法溶解。实际上，由于SO32-离子具有很强的还原性，很容易被空气中的氧气等氧化成Na2SO4，所以看见有不溶于HCl的沉淀也就不足为奇了。
4.因实验温度控制不当引起的实验异常
温度是影响化学反应速率和反应趋势的一个重要方面。温度的高低往往决定了一个反应能否发生、向什么方向发生等问题。所以，温度的合理控制对实验现象与实验结果至关重要。例如在做乙醇的氧化实验时，将螺旋状的铜丝加热变黑后，如不迅速插入乙醇，反复几次，并不会看到铜丝变红亮，也不会闻到有刺激性气味。因为铜丝插入速度太慢，使铜丝温度下降后反应就不能发生了。
在实际的实验教学中，除了上述原因以外，所用试剂的浓度大小，试剂选用的恰当与否，酸碱介质环境，仪器的选用及装置是否合理，以及实验操作者自身基本操作是否过关等方面也会引起实验的异常现象。
二、异常现象的合理利用
实验出现预料之外的情况是可能的，关键是采取正确的补救措施。如何对待实验过程中出现的异常现象？意外中蕴含着正常，关键是透过表象看到本质。如果设法搪塞或者回避的话，就错过了最好的教育时机。抓住实验中的意外，也就抓住了学生旺盛的求知欲，若能积极引导并给予合理的分析解释，也就能化慌乱为沉着、化意外为平常，反而能因化腐朽为神奇的“意外”给学生留下更深刻的记忆，教学目的也就能轻易实现，使师生双方在探索活动中相互得到提高。
1.利用异常现象提高教师自身专业素质。实验中出现的异常现象要求我们教师自觉地在教育教学实践中思考、分析、研究，并不断学习新的知识和理论，进一步使教师树立起“科研先导”的意识，提高教师的科研能力，使教师由“经验型”向“科研型”、“创新型”转化。
2.利用异常现象进行反思性实验教学，逐步使学生养成去思考、会思考的习惯。当学生在实验中出现的实验失败或误差较大时，教师应见缝插针积极引导学生如实记录实验结果，反思失败的原因以找到切实可行的方法改进实验，培养学生严谨的科学态度。
3.利用异常现象，积极开展科学探究活动,培养学生观察现象、分析问题、解决问题的能力，从而提高学生探究的水平和创新能力。在化学教学中，只要学生留心观察实验过程，注意捕捉奇特的变化，就可以发现许多实验异常现象，对这些异常现象进行探究会得到很多重要的发现。教师应根据教学内容，指导学生对见怪不怪的现象着手探究、发现问题。中学化学中异常现象很多，其中很多异常现象都可以成为学生进行探究的极好材料。
三、总结
高中化学实验中由于受试剂的纯度，试剂添加顺序，药品用量，副反应，温度，催化剂，实验装置等各方面制约，有时会导致实验现象异常。
如果我们教师转换观念，把实验的目的看作是带领学生探究知识，“发现”他们尚未认识的客观事物，并从中学到认知的本领，就不会因为出现异常现象而手忙脚乱，影响教学。所以我们教师应实事求是地面对实验现实，并引导学生运用已有的知识经验，分析发生异常现象的原因，师生共同研究，改变实验方法和策略，最后把实验做成功。这样虽多占了一些教学时间，影响到上課的进度，但由于学生参与了实验从失败到成功的全过程，在知识、技能、意志、能力等方面得到了提升，是非常值得的。
参考文献：
[1]万东北等. 无机化学实验现象异常的原因. 赣南师范学院学报，2004(6):85~87.
1、镁带燃烧：2MgO22MgO
现象：放出耀眼白光；放热；生成白色固体。
2、向氢氧化钠溶液中加入酚酞，再逐滴滴加盐酸：NaOH
点燃
HClNaClH2O
现象：刚开始酚酞显红色，加入盐酸后逐渐变为无色。
*
3、向硫酸铜溶液中加入NaOH，然后再逐滴加入稀硫酸，并振荡试管。
2NaOHCuSO4Cu(OH)2Na2SO4；Cu(OH)22HClCuCl22H2O 现象：加入NaOH后生成蓝色沉淀；加入硫酸后蓝色沉淀逐渐溶解。
*
4、加热高锰酸钾固体：2KMnO4K2MnO4现象：试管口生成可以使带火星的木条复燃的气体。
5、磷(包括红磷和白磷)在空气中燃烧：4P5O22P2O5 现象：放热；放出白光；生成大量白烟。
6CO2CO2 现象：（1）发出白光（2）放热
7、硫在空气和氧气中燃烧：SO2SO2
现象：放热；硫在空气中燃烧发出淡蓝色火焰、在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰。
8、铁在氧气中燃烧：3Fe2O2Fe3O4
现象：剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体。注意：铁在空气中不能燃烧。
MnO29、实验室制取氧气(1)：2KClO32KCl3O2
10、实验室制取氧气(2)：2H2O2
MnO22H2OO2
点燃点燃
点燃点燃
MnO2O2
点燃
11、氢气中空气中燃烧：2H2O22H2O
现象：（1）产生淡蓝色火焰（2）放出热量（3）烧杯内壁出现水雾。
12、水在直流电的作用下分解：2H2O2H2O2
现象：(1)电极上有气泡产生。V(H2）：V(O2)＝2 : 1，m(H2）：m(O2)＝1 : 8。(2)正极产生的气体能使带火星的木条复燃。
(3)负极产生的气体能在空气中燃烧，产生淡蓝色火焰
13、水和生石灰反应：CaOH2OCa(OH)2
现象：放热；固体溶解；能使紫色石蕊试液变蓝。
14、二氧化碳通入紫色石蕊；再加热：CO2H2OH2CO3；H2CO3CO2H2O 现象：由于CO2与水反应生成碳酸石蕊试液由紫色变成红色；加热以后，因为碳酸分解，溶液重新变为紫色。
(第一个为和水反应<化合>，第二反应为碳酸的分解反应)
通电
15、水和无水硫酸铜反应：CuSO45H2OCuSO45H2O
点燃
现象：白色粉末变为蓝色晶体。用途：鉴别物质中是否含有水。
16CO2CO2
现象：（1）发出白光（2）放出热量（3）使澄清石灰水变浑浊
17、碳在氧气中不充分燃烧：2CO22CO18、二氧化碳通过灼热碳层： CCO22CO19、一氧化碳在氧气中燃烧：2COO22CO2 现象：发出蓝色的火焰，放热，产生的气体使澄清石灰水变浑浊。
20、木炭还原氧化铜：C2CuO2CuCO2 现象：黑色粉未变红色，产生的气体使澄清石灰水变浑浊。
21、一氧化碳还原氧化铜：COCuOCuCO2 现象：黑色粉未变成红色，澄清石灰水变浑浊。
22、氢气还原氧化铜：H2CuOCuH2O 现象：黑色粉末变成红色，试管内壁有水珠生成。
23、二氧化碳通入澄清石灰水：Ca(OH)2
高温
高温点燃
点燃
CO2CaCO3H2O
现象：澄清石灰水变浑浊。用途：可以检验CO2，也可以用CO2检验石灰水
注：CO2和NaOH可以发生类似反应，但无现象：2NaOHCO2Na2CO3H2O24、向澄清石灰水中通二氧化碳至过量：CaCO3H2OCO2Ca(HCO3)2 现象：白色沉淀逐渐消失(溶解)。
25、将上述溶液加热：Ca(HCO3)2CaCO3
H2OCO2
现象：重新生成白色沉淀，并生成可以使澄清石灰水变浑浊的气体。
26、碳酸钙(石灰石)高温分解：CaCO3
高温CaOCO2
现象：固体变疏松；生成可以使澄清石灰水变浑浊的气体。
27、钠在氯气中燃烧：2NaCl22NaCl 现象：放热；黄色火焰，生成白烟。
28、镁在二氧化碳中燃烧：2MgCO22MgOC 现象：放热；生成黑色和白色两种固体。
29、甲烷的燃烧：CH42O22H2OCO2
现象：放热；蓝色火焰；生成水珠；生成可以使澄清石灰水变浑浊的气体。
30、实验室制备CO2：CaCO3
点燃
点燃
点燃
各位老师：
大家好!经过仔细地研读教材、充分地准备分组器材、我对这节课充满了信心;经过精心授课，今天给大家呈现了一节较为精彩的科学课。现在我对《化学变化伴随的现象》这节课进行说课。
一、教材分析
《化学变化伴随的现象》是教科版《科学》六年级下册第二单元《物质的变化》的第六课，属于“物质变化”中“化学变化”的范畴。《化学变化伴随的现象》这节课主要通过总结前几课的知识，归纳物质发生化学变化时产生的一些现象，帮助学生从现象初步判断物质是否发生了化学变化。因此本课占据着十分重要的地位。
二、学生学情
1、学生对于化学变化伴随的现象可以说既熟悉又陌生。说熟悉是前面几节课的学习中对化学变化伴随的现象已经有了初步的认识。说陌生是因为这些已有的知识经验对于学生来学，还处于表层的认知状态，对于从化学变化的现象来初步判断物质是否发生化学变化，还没有形成比较清晰、科学的认识。
2、本学年，我校科学小组的教师在科学教学中，着力于培养学生认真观察、勇于探索、大胆质疑、团结合作的科学素养，学生的能力有不同程度的提高。
三、教学目标及重点、难点设定
《小学科学课程标准》中提出“科学课程不仅要使学生获得重要的基本的科学概念，并认识科学概念之间的联系，还要使学生获得科学探究的技能和方法，以及合作交往、语言表达的能力，更要使学生获得善于思考、勇于探索、实事求是的科学态度。”
本节课要求学生能够从化学现象出发，推断物质的变化是否产生了新物质，然后寻找各种证据验证自己的假设，从而达到提升科学探究的`能力，掌握科学的研究方法。因此，我们设计了以下教学目标:
●科学概念
1.化学变化会伴随各种现象，根据这些现象可以初步判断物质是否发生了化学变化。
2.硫酸铜溶液和铁钉会发生化学反应，产生新的物质。
●过程与方法
继续学习“假设—检验”得出结论的科学探究方式。
●情感态度价值观
分辩现象与证据的关系，体会证据支持结果的重要性。
本课的教学重点设定为“了解化学变化伴随的一般现象”;教学难点设定为“观察并描述硫酸铜溶液和铁的变化，寻找证据判断是否产生了新物质。”
四、教学模式及教学过程
结合本校学生实际，我在设计教学环节时，突出“教师主导，学生主体和多元评价”方式，课堂教学中师生共同参与。
结合 “猜想假设-- 实验验证---归纳结论--- 拓展提升”的科学学习模式，引导学生小组合作探究。力求以活动组织教学。以学生全面和谐主动发展为中心，着力创建民主、平等、合作的师生关系，构建师生互动、生生互动的高效课堂教学模式。
(一)教学法
教法：演示法、引导法。
学法：动手操作法、合作交流法、归纳总结法。
(二)教学流程
本节课的教学流程分活动激趣、自主探究、对比辨析、拓展延伸四个环节。
1、活动激趣
《科学课程标准》中指出：要开展好科学课的教学、培养学生学习科学的兴趣显得尤为重要。而著名教师于漪说:“在课堂教学中要培养、激发学生的兴趣,首先应抓住导入新课的环节,一开始就把学生牢牢地吸引住。”
因此，我们在导入环节设计了一系列图片，通过图片引导学生回顾前几次试验，通过组织学生回顾各个实验里的现象，调动学生主动参与的兴趣，通过质疑“硫酸铜溶液中放入铁钉，会发生哪些现象?”，激发学生探求真相的好奇心，为接下来的科学探究活动作好铺垫。
2.自主探究
《小学科学课程标准》强调：小学科学课程是一门活动性和实践性课程，要让学生在活动与实践中学习科学。
为了突破本节课的重难点，我们设计了三个探究活动：一是“观察硫酸铜溶液与铁钉的反应”，二是“硫酸铜溶液与小苏打混合的变化”，三是“认识化学变化常伴随的一些现象”。 实验前我提出问题：“如果把铁钉浸入硫酸铜溶液中，会发生什么现象?硫酸铜溶液与小苏打混合的变化，会发生什么现象?”，鼓励学生大胆的进行猜测，做好猜测记录，并适时用PPT出示实验要求，让学生小组合作探究，用实验验证自己的假设。实验前我自主设计了实验记录单，引导学生观察、描述、记录、交流、讨论，归纳总结出化学变化伴随的现象，鼓励学生在做中学，学中思。把动手、动脑、动口的机会镶嵌在亲历亲为的探究过程中。
3.对比辨析
《小学科学课程标准》指出：科学要从学生熟悉的日常生活出发，与生活中的实际应用相联系，尝试解决简单的生活实际问题。
虽然学生已经了解了化学变化伴随的一些现象，但是当几种生活中极其相似的物质变化现象出现在学生眼前时，学生容易混淆，而且也缺乏用科学的语言解释的能力。因此我们通过设计相似现象的对比，揭示化学变化的本质。这样既是对所学知识的检测，也是将科学探究与生活紧密地结合了起来，相信学生主动探求科学的兴趣也会更浓。
4.拓展延伸
贴近学生学习生活的开头,正如影视剧的序幕一样,可以拨动学生的心弦,激发学生的兴趣,充分调动他们学习的积极性;而一个耐人寻味的结尾,对于帮助学生巩固和应用所学的知识技能,领会科学的方法,发展智力,有重要的作用。
结课时，组织学生观看“牛奶、颜料和洗洁精发生变化”的视频，再次激发学生对科学现象的好奇心，学生探究热情再次被点燃，这样，课堂上的探究活动延续到了课后，而且进一步拓展了学生的思维。
五、板书设计
一个好的板书，可以使人一目了然，清晰易懂。
本节课我们采用了结构式板书，简单凝练地呈现了本节课所学的知识要点，可以帮学生更好地梳理知识，巩固所学内容。
关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02
Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation
YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang
(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)
Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.
Key words:particle system; virtual reality; immersion
1 引言
随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学中特效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。
2 虚拟教学发展现状
在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：
2.1 虚拟课堂
虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。
2.2 虚拟实验
在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。
2.3 虚拟培训
针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。
3 粒子系统
3.1 粒子系统基本原理
粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。
3.2 粒子系统绘制的基本步骤
Step1 由粒子源產生新的粒子并加入系统中；
Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；
Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；
Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；
Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。
可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。
4 粒子系统与虚拟教学
因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。
4.1 虚拟实验现象仿真
实验教学对于提高学生对知识的理解掌握程度、培养学生分析、解决问题的能力具有重要的作用。由于实验设备昂贵、实验自身危险性等许多因素的存在，使得大量实验在现实中不易操作，虚拟实验在此情况下应运而生。虚拟实验通过利用计算机编程工具模仿真实的实验环境从而营造一个虚拟的实验环境，实验者可操作虚拟实验系统来完成各种预定的实验项目。实验过程中反应现象将在屏幕上显示给实验者，但大多虚拟实验系统局限于简单交互与二维演示，缺乏对实验现象的三维动态仿真，因而虚拟实验的沉浸感方面将大大折扣，实验者也不会对实验内容与结果有较深的理解与记忆。在某种意义上，实验现象动态仿真的逼真程度直接影响到虚拟实验系统的实用性。因此良好的虚拟实验系统离不开逼真的三维效果仿真，而动态仿真的关键又是粒子系统，换句话说一套好的虚拟实验系统离不开粒子系统。以虚拟化学实验为例简单介绍通过粒子系统实现气泡、烟雾、沉淀等，实现实验现象的动态模拟。
图1 气泡仿真过程图
粒子系统模拟气泡运动也是以气泡粒子的产生、运动、消亡的基本过程建模的。首先定义粒子源的位置，即为气泡粒子群产生的初始位置，并分配粒子的静态属性；然后受力分析，因气泡受压力、浮力的双重作用，需根据初始位置、與水平方向倾角、初始速度等进行粒子运动轨迹的数学模型的建立；定义气泡运动至液体表面时为其消亡时刻，删除超出生命周期的粒子，根据活粒子的动态属性对其进行相应变换，实时渲染显示活气泡粒子群。
粒子系统进行化学反应沉淀现象的模拟类似与气泡的仿真过程，只是粒子群运动模型及粒子“消亡”的判断不同。认为粒子运动至容器底部时为粒子的“消亡”时刻，即“消亡”的粒子为处于静止状态的粒子。要求对全部粒子进行实时绘制，完成沉淀现象的动态仿真。
4.2 虚拟培训中特效仿真
对于从事高危行业的人员来说，安全教育与避灾训练显得尤为重要。根据虚拟现实技术的特点，可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的虚拟系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及安全避险训练。逼真地对事故发生现场的过程与发展趋势进行动态展示是虚拟培训沉浸感的一个重要指标，真实的再现、高效的交互使受训者以当事人的身份主动接受培训，在近乎逼真的环境中，受训者在感官被高度调动的情况下更能锻炼他们在真实灾害现场中的反应与应措，而不是以旁观者的身份观看培训。
如何对灾害场景进行逼真模拟呢？粒子系统在特效仿真中发挥着重要的作用。例如在排爆训练、矿井灾害（瓦斯爆炸、火灾、水灾等）逃生训练等，特效仿真的优劣直接影响受训者对事故的反应，缺乏逼真度的模拟使得受训者易将虚拟环境中模拟的事故与现实环境中真实事故一分为二，在模拟训练中毫无紧迫感，以致达不到受训目的，更甚至于将起到与训练目的背道而驰的效果。因而粒子系统在培训系统特殊效果仿真中的引入，增强了虚拟培训沉浸感。
以矿井火灾事故中的逃生训练为例简要介绍粒子系统在特效仿真中所发挥的神奇作用。虚拟矿井火灾模拟需要对火灾的发生、发展过程做实时分析与动态模拟，需要选择合适的粒子系统模型，建立逼真场景，使受训者能真实感受到火烤烟熏，真正将自己置身于“现场”，进行逃生训练。因为虚拟仪器较为昂贵，因而我们需要在桌面虚拟现实中实现“火烤烟熏”，只能靠视觉上的高度满足来调动其它感官的想象而进入半虚拟的环境进行交互。我们利用粒子系统在模拟不规则物体上的强大优势，动态逼真实现火焰及烟尘的模拟。在建模过程中需充分考虑风向、气流、巷道坡度等对火焰与烟尘粒子团中各粒子运动轨迹的影响，通过引入气流速度与巷道坡度矢量修正因子而得到较精确的模型，达到更高效的场景模拟。
图2 烟尘仿真过程图
烟尘运动碰撞检测、二次运动轨迹的定义是动态烟尘仿真的关键。本文将火灾发生区域中巷道壁作为碰撞检测的外围边界，当烟尘粒子运动到此边界时，根据气流速度与矢量修正因子重建运动模型。此步骤的加入增强了烟尘效果仿真的逼真性，更有助于增强虚拟环境的沉浸感。
5 结论
本文以粒子系统在虚拟实验与虚拟培训中特效仿真中的应用为例，讨论了粒子系统在虚拟教学中的重要地位。用粒子系统进行效果仿真具有以下优点：图像生成真实感、实时性较强；粒子结构设置简单，易于修改，绘制方法灵活；粒子系统造型方法具有普适性，可根据不同需要进行不同设计，以获得不同的模拟效果。粒子系统的灵活性、普适性及随机性它为实时仿真中不规则模糊物体的绘制提供了较为理想的思路，有较高的应用性与研究价值。
参考文献：
[1] 刘金鹏. 虚拟现实系统中的物理建模和行为属性问题研究[D]. 武汉理工大学, 2004.
[2] 许敏，张永生，郑战辉. 粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟. 测量学院学报，2004.
[3] 周洁琼. 基于粒子系统的实时火焰模拟技术研究与实现[D]. 湖南大学, 2005.
[4] 徐大敏，于兆勤，郭钟宁. 虚拟现实技术及其应用与展望. 机床与液压，2006,(7).
[5] 胡欢, 徐士进, 赵连泽, 尹坤, 董少春, 郑意春. 虚拟现实语言X3D在晶体结构建模中的应用[J]. 计算机与应用化学, 2006,(4).
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