2012年1月8日

用呼吸實驗教實驗設計

本學期最後一個實驗是測呼氣中是否含水和二氧化碳,測水的方式就是拿片氯化亞鈷試紙在鼻子前吹氣,讓變粉紅色,測二氧化碳則是吹氣到澄清石灰水裡頭,看它變混濁

以前做這個實驗都做很快,帶著吹風機到班上,吹乾了幾片試紙之後,再發給學生試做,重複幾次,大家都玩過了之後就結束了。

但是這次我做的多一些了,而且回到實驗室來做,一宣佈要到實驗室,學生都很高興,他們實在很有趣,在教室做的實驗都不叫實驗,只要到實驗室裡握,他們就覺得那才是實驗。

氯化亞鈷試紙的探究實驗
我讓每組都有一個酒精燈,每個人都有一片試紙,一開始先說試紙遇水會變粉紅色,但是我請他們用手摸看看,試紙並不是溼的,那怎麼會變成粉紅色呢?他們很快就能想到是空氣中的水使它變色。(備註:氯化亞鈷是有毒性的,摸完還是該洗個手)

然後就讓他們照著課本上的敘述做,結束之後,我問:「這樣就證明試紙變色,是因為鼻子呼氣嗎?難道不是空氣中的水造成的嗎?」「試著設計一組實驗,證明是鼻子呼氣造成的吧!要有實驗組和對照組喔。實驗組我就先說了,是要放在鼻子呼氣,那麼對照組呢?」

忘記是看到哪篇研究說到,小孩子在三四歲的時候,其實就已經能做出有對照組的實驗設計了,所以我做的事情,不過是增強他們的經驗罷了,他們其實都能夠想出該怎麼設計實驗啦。

很快,他們就可以討論出要擺一張乾燥的紙在桌面上。

接著,我再問「可是做實驗要有可測量的結果啊,這個試紙你可以測量什麼?」

大家七嘴八舌,有人說量變色的面積,有人說測變色的速度。經過一番討論後,大家覺得變色的時間比較好測量,所以我就要他們兩張試紙變色要花多少時間,用這樣來推論呼氣含水。

接著,我延伸課本的實驗繼續問:「你們認為嘴巴呼出的氣比較多水,還是鼻子?」

這個問題,大多數人都覺得是嘴巴,只有少數幾個認為是鼻子,但為什麼呢?
我說:「氣體同樣都從肺臟經氣管出來,為什麼覺得是嘴巴或鼻子比較多水呢?」
學生答「因為鼻子裡有鼻涕,所以鼻子出來的水會比較多」、「因為嘴巴比較大,所以水出來的比較多」、「因為嘴巴出氣的速度快,所以水出來的比較多」、「因為口水多」

反正答案又是一大堆,接著就是實作了。我問:「那樣怎麼樣設計實驗呢?」

這點對學生不是難事,學生很快就能想出就一個放鼻子,另外一個放嘴巴。除了這點操縱變因外,我也要學生想想還要注意哪些部份?吹氣速度、人要一樣...。

當學生都能說出要怎麼做實驗之後,就放手讓他們完成。三分鐘後結果出爐,大多數都發現嘴巴吹氣比較快讓試紙變色,惟獨一組的結果是鼻子和嘴巴速度相當。

我問起,為什麼他們那組會和其他人不同,問到最後,發現是吹的方式不一樣。喔,原來啊,用嘴巴吹氣和哈氣,會有不同的結果啊。


澄清石灰水探究實驗
而吹氣到澄清石灰水的實驗裡,我也多做了一些。我讓每個學生一人一管,兩兩一組,一個原地運動到喘,另外一個則是安靜坐著,接著一起吹氣,看誰比較快讓石灰水變混濁。

看結果的時候,全部都是有運動的那個比較快讓石灰水變混濁。我就問啦:「所以這個實驗就證明了運動可以產生較多的二氧化碳,對不對?」

學生異口同聲「對」

我說「錯!大錯特錯。這個實驗有很嚴重的問題存在,請找出來」

我設計這個實驗的目的,就是要學生挑錯。學生要從無到有設計出一個完整實驗,是要花些時間的,不過如果是挑錯,他們可是很在行的。

很快的,至少找到了九個問題,包括:不同人做實驗、吹的管子不同大小、吹氣速度不同、吹氣量不同....。

再接下來就是要他們根據這些缺點,來設計一個新實驗,用來驗證:運動時會產生比較多的二氧化碳。


其實氯化亞鈷試紙和澄清石灰水的實驗,都只能證明呼氣中含有水和二氧化碳。但是沒辦法證明那是呼吸作用產生的。所以如果要過度推論說,這證明了呼吸作用會產生二氧化碳和水,那就太超過了。

呼吸裡的水分和熱的控制
呼氣中的水,有些是來自呼吸道內襯的。在 Randall/Eckert Animal Physiology 4e 的p.578介紹了動物呼吸時的水分控制。

相對溼度和氣溫有關係,氣溫愈高,能夠含的水量就愈高。

呼氣的水分散失程度受到體溫和環境溫度影響。在下圖中,灰色的箭頭代表未飽和的空氣受到肺部加溫,會持續增溼直至飽和。紅色的箭頭表示,肺部空氣在吐氣的時候,空氣會在鼻腔中降溫,所以大部分的水分又會回到鼻腔。

這個圖的數據是從Kangaroo rat的研究得來。顯示當環境溫度愈高,散失的水分就愈高,若環境溫度只有13度,則只有散失17%的水分,而環境溫度若達30度,則散失54%的水分。



體溫和水分的維持和我們呼吸系統的特性-逆流熱交換有關。雖然鼻腔有豐富的微血管,但是血液卻未能溫暖鼻腔,因為血管的分布情況是溫暖的血液經由小動脈進入鼻腔,然後被離開鼻腔的小靜脈降溫。小動脈裡的熱量傳給了小靜脈的逆流血液,所以帶到鼻腔的熱量是不多的。

肺部維持恆溫38度C,鼻腔為28度C。吸氣時,空氣被加溫增溼,吐氣時降溫減溼,如此一來才不會因為呼吸而散失過多的水分。

鼻子可以減少熱和水分的散失。鼻塞的時候,睡覺時用嘴巴呼吸,隔天早上嘴巴會非常的乾燥。或是做氣管插管的病人,因為氣體沒有經過正常的呼吸道,所以常會造成氣管乾燥。


另外,有些動物體溫在運動時會升高,但是腦部的溫度卻能正常穩定,這也和鼻腔可以降低供應腦部的血液溫度有關。


哼吹呼,溫度大不同
再來講到鼻子吹氣、嘴巴呼氣、嘴巴哈氣哪個比較出來的溫度,為什麼不一樣。

鼻子吹氣是和鼻腔的逆流熱交換有關係。嘴巴哈氣和呼氣不一樣,就和氣體的絕熱膨脹有關係了。

嘴巴吹氣時,氣體從小口中吹出時,壓力較大,體積膨脹,因而降溫。
嘴巴呼氣時,嘴巴大大的,氣體壓力和外界相同,所以氣體溫度就和口內溫度差不多。

其實嘴巴吹氣也未必都是冷的,慢慢地吹氣,出來的氣也是熱的。因為壓力和外界相似,所以沒有降溫現象。