高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料第一课时教案设计

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第一课时 金属材料


学习目标：1.认识合金的含义及常见合金。2.认识铁合金的组成、性能与应用的联系。3.认识铝合金的组成、性能与应用的联系，掌握铝及其氧化铝的性质。4.认识新型合金的性能。








1．合金的定义及优点


(1)合金的概念


由纯金属(或金属与非金属)制得的金属材料。


(2)合金的一般性质


①硬度：合金的硬度及机械加工性能一般高于各成分金属。


②熔点：合金的熔点一般低于各成分金属。


2．铁合金：生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。


(1)生铁


①生铁的含碳量为2%～4.3%。


②性能及用途


生铁硬度大、抗压，性脆、可以铸造成型，是制造机座、管道的重要材料。


(2)钢


①钢的含碳量为0.03%～2%。


②性能及用途


钢有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造，广泛用于制造机械和交通工具等。


③分类





④常用合金钢


a．不锈钢


合金元素主要是铬(Cr)和镍(Ni)。


性能：大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。


用途：医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等。


b．超级钢


合金元素：Mn、C、Al、V。


性能：强度很大，在应用时能够实现钢板的轻薄化。


用途：汽车、航空和航天等领域。


3．铝和铝合金


(1)铝


①存在：铝是地壳中含量最多的金属元素。


②化学性质


a．与O2反应：铝是一种活泼金属，在常温下就能与空气中的氧气发生反应，表面生成一层致密的氧化铝薄膜。


b．铝与酸、碱溶液的反应








(2)氧化铝


Al2O3是两性氧化物，与强酸或强碱溶液都能反应生成盐和水。(离子方程式)


Al2O3—eq \b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(――→,\s\up15(强酸),\s\d15( ))Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O,\(――→,\s\up15(强碱),\s\d15( ))Al2O3＋2OH－===2AlO\\al(－,2)＋H2O))


(3)铝合金


性能：密度小、强度高、塑性好、易于成型、制造工艺简单、成本低廉。


用途：主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输业、电子行业等。


4．新型合金


新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。此外，钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。


5．用途广泛的稀土元素


(1)稀土元素


①镧系元素(57～71号元素)及钇和钪，共17种元素为稀土元素。


②我国拥有丰富的稀土资源，现已查明的世界稀土资源中，80%分布在我国，并且品种齐全。


(2)用途


①稀土金属有着广泛的用途，它既可以单独使用，也可用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被称为冶金工业的维生素。


②稀土金属可用于制造引火合金、永磁材料、超导材料和发光材料等。稀土金属除广泛应用在冶金、石油化工、材料工业、医药及农业领域外，还逐渐深入到许多现代科技领域。





1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)


(1)合金是混合物，具有金属的特性( )


(2)合金中只存在金属元素，不可能有非金属元素( )


(3)生铁的熔点比铁低，但机械强度和硬度比铁高( )


(4)生铁中的铁与纯铁的化学性质不同( )


(5)铝和盐酸、NaOH溶液的反应中，铝作还原剂( )


[答案] (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√


2．下列有关金属铝及其氧化物的叙述正确的是( )


A．铝在常温下不能与氧气反应


B．铝在常温下和在高温下与氧气反应的产物不同


C．氧化铝既能溶于强酸，又能溶于强碱


D．氧化铝只能与酸反应，不能与碱反应


[解析] 常温下和在高温下铝与氧气反应都生成氧化铝，Al2O3是两性氧化物，既能与强酸反应，又能与强碱反应。


[答案] C





知识点一 铁合金


1.合金的定义


合金是指两种或两种以上的金属(或金属跟非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。


2．合金的性质


(1)合金的硬度一般高于成分金属。


(2)合金的熔点多数低于成分金属。


3．合金性能的易错辨析


(1)合金属于混合物而非纯净物，具有金属的特性。


(2)合金一定含有金属元素，可能含有非金属元素。


(3)合金中各成分金属的化学性质不变。


(4)合金具有许多优良的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加合；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。


(5)并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点高于另一金属的沸点，则二者不能形成合金。


【典例1】 下列有关铁和铁合金的说法错误的是( )


A．生铁比铁软


B．铁有良好的导热性


C．钢是铁的合金


D．生铁在潮湿的空气中容易生锈


[思路启迪] 解决合金问题的关键是熟练掌握合金的性能：熔点比成分金属低，但机械强度比成分金属都大。


[解析] 生铁为铁的合金，其硬度比铁的大。


[答案] A








合金的性质


(1)熔点比每种成分都低。


(2)硬度比每种成分都大。


(3)合金中各成分化学性质与单质时相似。





[针对训练1] 对于合金的说法，不正确的是( )


A．不锈钢是最常用的一种合金钢


B．合金与各组分金属相比一般具有更低的熔点


C．钢是铁和碳的合金，生铁则是纯铁


D．合金与各组分金属相比一般具有更大的硬度


[解析] 生铁是含碳量比钢更高的铁和碳的合金。


[答案] C


知识点二 铝及铝合金


1.铝的化学性质


(1)铝与氧气的反应


①常温时，与空气中的氧气反应生成致密的氧化膜并牢固地覆盖在铝表面，防止铝进一步被氧化，因此铝在空气中表现出良好的抗腐蚀性。


②加热时，铝粉可在空气中燃烧，放出大量热，化学方程式为4Al＋3O2eq \(=====,\s\up15(△))2Al2O3。


(2)铝与酸的反应


①与盐酸、稀H2SO4反应


离子方程式：2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。


②常温下，遇浓硝酸、浓H2SO4时，在表面生成致密的氧化膜而发生钝化。


(3)铝与强碱溶液的反应


与NaOH溶液反应


离子方程式：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑。


2．氧化铝的化学性质


(1)与H2SO4反应的化学方程式：Al2O3＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2O。


(2)与NaOH反应的化学方程式：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O。


(3)两性氧化物：既可以与酸反应又可以与碱反应生成盐和水的氧化物。


3．铝及其合金的用途


(1)与其他金属(或非金属)熔合形成铝合金，铝的合金具有密度小、强度高、塑性好、制造工艺简单、成本低、抗腐蚀能力强等特点，主要用于建筑业、交通运输业以及电子行业。铝合金可做建筑外墙材料及房屋的门窗，可制成汽车车轮骨架和飞机构件，还可用于制造电子元件等。


(2)利用其导电性，制造电线、电器元件等。


(3)利用其强的还原性，冶炼熔点高的金属、焊接钢轨等。


4．使用铝制品应注意的问题


(1)铝制品耐用是因为表面有致密的氧化铝保护膜，Al2O3是两性氧化物，既可以与酸反应又可以与碱反应，所以铝制品不宜盛放显酸性或碱性的物质。


(2)含氯化钠的物质不能用铝制品盛放。这是因为铝制品表面虽然有致密的氧化膜保护层，但若遇到氯化钠溶液，其中的氯离子会破坏氧化膜的结构，加速铝制品的腐蚀。因此，铝制品不宜用来长时间盛放咸菜等腌制食品。


【典例2】 等体积、等物质的量浓度的盐酸、氢氧化钠溶液分别放在甲、乙两烧杯中，各加等质量的铝，生成氢气的体积之比为5∶7，则甲、乙两烧杯中的反应情况可能分别是( )


A．甲、乙中都是铝过量


B．甲中铝过量，乙中碱过量


C．甲中酸过量，乙中铝过量


D．甲中酸过量，乙中碱过量


[思路启迪] 解决铝的定量分析题目的前提是：熟练书写铝与盐酸、氢氧化钠溶液反应的化学方程式(或离子方程式)或准确写出相应的关系式。其次要注意反应间的定量关系，无论是铝与酸反应还是与碱反应，Al和H2的关系都是2Al～3H2。最后综合分析题中相关条件判断是否存在过量以及谁过量，然后计算得出数值。


[解析] 因为等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生H2的体积比为1∶1，足量的铝分别与等物质的量浓度、等体积的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生H2的体积比为1∶3，本题产生H2的体积比为eq \f(1,3)

[答案] B








一定量的铝分别和含等物质的量溶质的盐酸和氢氧化钠溶液反应，若产生氢气的体积比为eq \f(1,3)

(1)铝与盐酸反应时，铝过量而盐酸不足；


(2)铝与氢氧化钠溶液反应时，铝不足而氢氧化钠过量。





[针对训练2] 称取两份铝粉，第一份加入足量的NaOH溶液，第二份加入足量的盐酸，若放出的氢气的体积相等(同温同压)。则两份铝粉的质量比为( )


A．1∶2 B．1∶3


C．3∶2 D．1∶1


[解析] 审题可知，酸、碱均为足量，则Al和H2的关系均为2Al～3H2，生成H2的量相等，则两份铝粉的量也相等。


[答案] D








1．钢材可以用作桥梁的结构材料是因为它( )


A．有良好的导热性


B．有一定的机械强度


C．不易受空气和水的作用


D．有良好的导电性


[解析] 钢材具有一定的机械强度，可用作桥梁的结构材料。


[答案] B


2．“神八”与“天宫一号”的成功对接，标志着中国的航空铝材处于世界领先的行列。下列关于铝合金的说法中错误的是( )


A．铝合金是一种混合物，它比纯铝的熔点低


B．高温铝液易被氧化，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼


C．镁铝合金耐腐蚀，但能被烧碱(NaOH)腐蚀


D．镁铝合金在盐酸中无法溶解


[解析] 镁铝合金可溶于盐酸、NaOH溶液，所以D项错误。


[答案] D


3．下列关于Al2O3的说法正确的是( )


A．Al2O3是金属氧化物，也是两性氧化物


B．Al2O3加热分解为铝和氧气


C．Al2O3结构致密，所以可用铝制容器盛盐酸和NaOH溶液等


D．擦去表面氧化铝的铝条，在酒精灯上灼烧时，熔化的铝滴落下来


[解析] Al2O3属于两性氧化物，A正确；Al2O3熔点高，加热也不分解，B错误；Al2O3既可以与盐酸反应，又能和NaOH反应，C项错误；铝与O2反应生成Al2O3，熔点高，熔化的铝不会滴落下来，D项错误。


[答案] A


4．钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，尤其是钛合金与人体器官具有很好的生物相容性。根据它们的主要性能，下列用途中不符合实际的是( )


A．用作保险丝


B．用于制造航天飞机


C．用于制造人造骨


D．用于家庭装修，作钛合金装饰门


[解析] 由于钛和钛的合金密度小、可塑性好，因此可用于航天领域，B正确；由于钛和钛的合金与人体器官具有很好的生物相容性，和人体的组织相容，不引起排异反应，可以用于制造人造骨，C正确；由于其密度小、可塑性好、易于加工，用于家庭装修，作钛合金装饰门，推拉轻便，D正确；只有A错误，由于其熔点高，因此不适合作保险丝。


[答案] A


5．已知X是某金属单质，X、A、B、C含同一种元素，可发生如下转化：





(1)写出下列物质的化学式：X________，A________，B________，C________。


(2)写出以下反应的离子方程式：


②_______________________________________；


④_______________________________________。


[解析] 金属单质中既可和酸反应，又可和碱反应的只有Al，X是Al，则A是Al2O3，B是NaAlO2，C是AlCl3。


[答案] (1)Al Al2O3 NaAlO2 AlCl3


(2)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑


Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O


课后作业(十六)


[基础巩固]


一、常见合金的性质


1．中国短道速滑队在索契冬奥会取得了骄人的成绩。速滑冰刀可用不锈钢制成，不锈钢含有的主要元素是( )


A．铁 B．碳 C．铜 D．铝


[解析] 钢的含碳量是0.03%～2%，不锈钢含有铁、碳、铬、镍等，故不锈钢含有的主要元素是铁元素。故A正确。


[答案] A


2．纯铁的熔点为1535 ℃，而高炉中炼铁时生铁(含碳量较高的铁的合金)在1200 ℃左右就熔化了，这是因为( )


A．铁的纯度越高，熔点越低


B．合金的熔点一般比其成分物质的熔点低


C．因为形成了铁碳合金，所以熔点变高


D．在高炉内熔化的过程中发生了化学反应


[答案] B


3．中国最新战机歼­31使用了高强度、耐高温的钛合金材料。工业上冶炼钛的反应如下：TiCl4＋2Mgeq \(=====,\s\up15(高温))Ti＋2MgCl2。下列有关该反应的说法正确的是( )


A．TiCl4是还原剂 B．Mg被氧化


C．TiCl4发生氧化反应D．Mg得到电子


[解析] 分析方程式中元素化合价的变化。Ti元素化合价由＋4降低到0价被还原作氧化剂，Mg元素化合价由0价升高到＋2价，失去电子被氧化作还原剂，故B项正确。


[答案] B


4．下列成语或谚语中蕴含着一定的化学知识或原理，下列有关说法错误的是( )


A．百炼成钢——通过反复锤炼，除去铁中部分杂质，使其转化为钢


B．水滴石穿——CO2＋H2O＋CaCO3===Ca(HCO3)2(以大理石为例)


C．恨铁不成钢——钢的性能远优于铁


D．真金不怕火炼——单质金的熔点很高


[解析] 百炼成钢的原理是生铁中的碳在高温下与氧气反应生成二氧化碳，使生铁中的含碳量降低，除去铁中部分杂质，使其转化为钢，故A说法正确；水滴石穿是因为水、二氧化碳和大理石的主要成分碳酸钙反应生成易溶于水的碳酸氢钙——CO2＋H2O＋CaCO3===Ca(HCO3)2，故B说法正确；恨铁不成钢——钢的性能远优于铁，故C说法正确；真金不怕火炼这句话的意思是：因为金元素的化学性质稳定，在通常的高温下不易与其他物质发生化学反应，且单质金的熔点不是很高，低于铁或铜的熔点，故D说法错误。


[答案] D


二、铝及铝合金


5．下列说法正确的是( )


A．Al2O3难溶于水，不跟水反应，所以它不是Al(OH)3对应的氧化物


B．因为Al2O3是金属氧化物，所以它是碱性氧化物


C．Al2O3能跟所有的酸碱溶液反应


D．Al2O3能跟强的酸碱溶液反应


[解析] Al2O3虽然难溶于水，但是2Al(OH)3eq \(=====,\s\up15(△))Al2O3＋3H2O，Al2O3和Al(OH)3中Al的化合价相同，所以Al2O3是Al(OH)3对应的氧化物；金属氧化物与碱性氧化物是两个不同的概念，二者没有必然的联系；Al2O3是两性氧化物；Al2O3与强酸、强碱反应，与弱酸、弱碱不反应。


[答案] D


6．氧化铝的熔点很高，常用于制造耐火材料，例如制作耐火坩埚。下列操作不能在氧化铝坩埚中进行的是( )


A．加热使CuSO4·5H2O失水


B．加热使KMnO4分解


C．加热熔化烧碱


D．加热分解碱式碳酸铜


[解析] 氧化铝能与强酸、强碱反应，所以用氧化铝材料制作的坩埚不能在强碱或强酸性条件下使用。A、B、D选项均为加热盐类操作，且在操作过程中都没有强碱性、强酸性物质生成。


[答案] C


7．某金属与盐酸反应时，生成H2的质量与消耗金属质量的关系如图所示，此金属可能是( )





A．纯锌 B．纯铁


C．镁铝合金 D．铜铁合金


[解析] 首先由图可知，消耗金属质量为30 g时，产生氢气的质量为1 g，即0.5 ml。用极值法：假设每一种金属都与酸反应产生0.5 ml H2，然后分别计算出消耗金属的质量。A项需32.5 g，B项需28 g，C项需要的质量范围是大于9 g，小于12 g，D项大于28 g。故选D。


[答案] D


8．在天平的左右两个托盘上放有两个烧杯，两个烧杯中分别盛有盐酸和氢氧化钠溶液，天平处于平衡状态，当分别向两烧杯中加入等质量的铝(酸和碱都是足量的)充分反应后( )


A．天平保持平衡 B．左高右低


C．左低右高 D．无法确定


[解析] 由化学方程式2Al＋2H2O＋2NaOH===2NaAlO2＋3H2↑及2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑可知，当酸和碱过量时，等量的铝反应能产生等量的氢气，所以天平依然保持平衡。


[答案] A


[能力提升]


9．现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝。取硬铝样品进行如下实验：





(硅可与氢氧化钠溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑)由此推知硬铝的组成是( )


A．Al、Mg、Si、Zn B．Al、Cu、Mg、Si


C．Al、Fe、C、Cu D．Al、Si、Zn、Na


[解析] 样品加入过量盐酸，比氢活泼的金属(如Al、Mg、Zn、Na)全部溶解。向不溶物中加入过量的NaOH溶液，有气体生成，说明样品中含有Si，再向不溶物中加入过量盐酸，仍有不溶物，说明含有Cu或C等。


[答案] B


10．用铝箔包装0.1ml金属钠，用针扎出一些小孔，放入水中，用排水集气法收集产生的气体，完全反应后，则收集到的气体为(标准状况下)( )


A．O2与H2的混合气体 B．1.12 L H2


C．大于1.12 L H2 D．小于1.12 L气体


[解析] 在题中隐藏着一个至关重要的条件“铝箔”，Na与水反应放出H2，并且生成NaOH，铝能与NaOH溶液反应，也生成H2，故最后收集到的气体是这两部分H2的总和，显然要比Na单独反应产生的H2多。


[答案] C


11．用一张已除去表面氧化膜的铝箔紧紧包裹在试管外壁(如图所示)，将试管浸入硝酸汞溶液中，片刻取出，然后置于空气中，不久铝箔表面生出“白毛”，红墨水柱右端上升，根据实验现象判断下列说法错误的是( )





A．实验中发生的反应都是氧化还原反应


B．铝是一种较活泼的金属


C．铝与氧气反应放出大量的热量


D．铝片上生成的白毛是氧化铝和氧化汞的化合物


[解析] 整个过程中发生两个反应，首先Al与Hg(NO3)2发生置换反应：2Al＋3Hg2＋===2Al3＋＋3Hg，之后将铝置于空气中发生：4Al＋3O2===2Al2O3。A中，两个反应中Al元素化合价均发生变化，属于氧化还原反应，故A正确；B中，铝的化学性质较活泼，不久铝箔表面生出“白毛”，可知Al易被氧化，可以说明铝是一种活泼金属，故B正确；C中，红墨水柱右端上升说明装置内气体膨胀，说明铝与氧气反应过程中放热，故C项正确；D中，汞的化学性质不活泼，以单质的形式存在，铝片上生成的白毛是Al2O3，故D项错误。


[答案] D


12．历史上金、银、铜主要是作为货币金属或装饰品被应用。


(1)金、银、铜常被作为钱币流通，从化学角度来看，主要是利用它们的________(填字母)。


A．硬度适中


B．密度适中


C．在自然界里都可得到纯净的单质


D．不活泼性


(2)试样X由氧化亚铁和氧化铜组成，取质量相等的两份试样，按下图所示进行实验：





请写出步骤③中所发生的全部反应的离子方程式：


______________________。


若全部的溶液Y和全部的粉末Z充分反应后，生成的不溶物W的质量是m，则每份试样X中氧化铜的质量为________________(用m表示)。


[解析] (1)金、银、铜都属于不活泼金属，易加工，因此，在历史上都曾经用作货币。(2)试样与过量盐酸反应所得溶液Y为FeCl2、CuCl2混合溶液，粉末Z为Fe、Cu混合物，将Y和Z混合，发生反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，由生成的溶液呈强酸性且溶液中不含Cu2＋，则不溶物W全部是金属铜，氧化铜的质量为0.5m×eq \f(80,64)＝eq \f(5,8)m。


[答案] (1)D


(2)Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ eq \f(5,8)m


13．用铁、铝的混合物进行如下实验：





(1)操作X的名称是________。


(2)气体A是______________。


(3)加入足量NaOH溶液时发生反应的离子方程式为


____________________________；加入稀盐酸发生反应的离子方程式为________________________。


(4)溶液B中阴离子除OH－外还有________，溶液D中存在的金属离子为________。


[解析] (1)进行操作X后得到溶液和固体，故操作X为过滤。(2)Al与氢氧化钠溶液反应产生氢气，故气体A为H2。(3)混合物中加入足量NaOH溶液，Al与NaOH溶液反应；固体C为铁，加入稀盐酸，Fe与稀盐酸反应。(4)溶液B中阴离子有OH－、AlOeq \\al(－,2)，溶液D中金属离子为Fe2＋。


[答案] (1)过滤 (2)H2(或氢气)


(3)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑


Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑


(4)AlOeq \\al(－,2) Fe2＋


14．铝镁合金已成为轮船制造、化工生产等行业的重要材料。某研究性学习小组的三位同学为测定某含镁3%～5%的铝镁合金(不含其他元素)中镁的质量分数，设计下列三种不同实验方案进行探究。填写下列空白：


【探究一】


实验方案：铝镁合金eq \(――→,\s\up15(NaOH溶液))测定剩余固体质量


实验中发生反应的化学方程式是____________。


实验步骤：(1)称取5.4 g铝镁合金粉末样品，投入体积为V的2.0 ml·L－1NaOH溶液中，充分反应。则取用NaOH溶液的体积V不小于________。


(2)过滤、洗涤、干燥、称量固体。该步骤中若未洗涤固体，测得镁的质量分数将________(填“偏高”或“偏低”)。


【探究二】


实验方案：铝镁合金eq \(――→,\s\up15(盐酸))测定生成气体的体积(实验装置如图所示)





问题讨论：(1)某同学提出该实验装置不够完善，应在A、B之间添加一个干燥、除酸雾的装置。你的意见是________(填“需要”或“不需要”)。


(2)为使测定结果尽可能精确，实验中应注意的问题是(写出两点)：


①__________________；


②__________________。


[解析] 【探究一】利用NaOH溶液与Al反应，余下的为Mg。合金质量为5.4g，Mg的含量为3%～5%，Al的最大质量为5.4 g×97%，Al与NaOH按1∶1反应，V(NaOH溶液)＝eq \f(n,c)＝eq \f(\f(5.4 g×97%,27 g·ml－1),2.0 ml·L－1)＝0.097 L，即97 mL。


若不洗涤固体，杂质附着在Mg上，使结果偏高。


【探究二】酸雾可溶于水，不需要加除杂装置。注意量气装置的使用：①要检查气密性；②读数时一定要保证B、C装置中液面相平。


[答案] 【探究一】2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑


(1)97 mL (2)偏高


【探究二】(1)不需要


(2)①检查装置的气密性


②使C中液面与B中液面相平(或加入足量盐酸或调整量气管C的高度，合理答案均可)