“用油膜法測分子直徑”演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

(江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212017)

“油膜法測分子直徑”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵是如何將演示效果達(dá)到最佳.實(shí)際教學(xué)中我們常常碰到一些問題，例如：有機(jī)玻璃板上網(wǎng)格不夠清晰，尤其是長期多次使用以后，還會留有水筆劃過的痕跡，多次擦洗后也會留下模糊的痕跡.這使得我們在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不易看清板下油酸推開痱子粉的邊界,也不方便畫出邊界.又如，油酸推開痱子粉時(shí)一直處于動態(tài)過程，描邊界時(shí)邊界還同時(shí)在變化，描出來的邊界也不夠準(zhǔn)確.

針對以上問題，筆者在油膜法實(shí)驗(yàn)裝置和處理方法上進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，能夠讓學(xué)生在座位上看的很清楚，大大增強(qiáng)演示效果.之前教師演示該實(shí)驗(yàn)的時(shí)候都是使用實(shí)物展臺，清晰度不高，蓋上玻璃蓋板后更加無法看清油膜邊界.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中采用高清攝像頭，再加上鏤空網(wǎng)格，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的清晰呈現(xiàn)起了很好的作用.同時(shí)實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)也在預(yù)計(jì)的誤差范圍內(nèi)，所有的實(shí)驗(yàn)油酸分子直徑算出來都在10-10m～10-9m之間，而公認(rèn)的油酸分子直徑為1.12×10-9m，能很好地說明實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)也能較好地解釋實(shí)驗(yàn)誤差.

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課的重難點(diǎn)之一是要教會學(xué)生利用宏觀量求微觀量的方法，尤其是需要求出分子的直徑，因此要通過先從宏觀小顆粒引入，才能讓學(xué)生有更深刻的印象.本節(jié)課是以測綠豆直徑方法向測分子直徑過渡的，銜接比較自然.用以下問題引入順理成章：如何用油膜法估算分子直徑？用什么材料做實(shí)驗(yàn)？為什么要用稀釋的溶液做實(shí)驗(yàn)？如何配置溶液？如何看清油膜邊界？

學(xué)生接受知識有個(gè)梯度，很多時(shí)候不能一步到位，因此首先設(shè)計(jì)了小球模擬分子實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生充分理解為何選用油酸的酒精溶液做實(shí)驗(yàn)，在真實(shí)做油膜實(shí)驗(yàn)時(shí)再解決剩下的問題，同時(shí)為了增強(qiáng)演示效果，對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了改進(jìn).

因?yàn)榉肿映叽绶浅Ｐ。瑹o法用肉眼直接觀察，所以學(xué)生并沒有太多的直觀經(jīng)驗(yàn)，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)體驗(yàn)的過程，讓學(xué)生有更直接的“分子之小，分子之多”的體會，也能同時(shí)明白阿伏伽德羅常數(shù)的意義.

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新做法

(1)建立“分子球體模型”

在演示該實(shí)驗(yàn)之前需要讓學(xué)生明白分子球體模型.建立球體模型的概念需要以事實(shí)說話.因此在引入的時(shí)候要有一些掃描的照片作為支撐.

人們長久以來一直沒有停下對微觀世界的探索，目前已經(jīng)能用比較先進(jìn)的儀器來探究微觀世界.例如掃描隧道顯微鏡(如圖1)，原子粒顯微鏡、離子顯微鏡等.掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察物體表面原子，還可以進(jìn)行操作，把原子進(jìn)行重新排列，圖2展示了石墨層面上的碳原子.通過對掃描隧道顯微鏡的簡單了解，和對掃描照片的觀察，學(xué)生很容易建立分子球體模型的概念.

圖1

圖2

(2)由宏觀量測微觀量方法的引入

原子接近于一個(gè)個(gè)小球體，如果我們把分子看成是一個(gè)球體的話，在不使用先進(jìn)儀器的情況下，我們該如何去估測這么小的“球體”的大小呢？

智慧小故事給我們的啟發(fā)：古代“曹沖稱象”的故事采取了“化整為零”的方法，那么要測微小顆粒的尺寸的方法是“聚零為整”.用對比的方法引入，容易想到“聚零為整”的積累法.

思考：如果沒有游標(biāo)卡尺，用積累法如何去測綠豆的直徑？

學(xué)生會提出很多類似的方案，總結(jié)如下：

圖3

圖4

圖5

(3)油膜法的引入

提問1：分子大小的測量是否可以采用以上方法？

答：前兩種方案不可行，因?yàn)榉肿訑?shù)目非常龐大,只有最后一種可以實(shí)施.

提問2：選什么樣的物質(zhì)來做實(shí)驗(yàn)？

答：用液體更易實(shí)現(xiàn).

液體滴在哪里才能實(shí)現(xiàn)單層鋪開？

答：在液面上.

思考1：油酸是無色透明的，如何看清鋪開的邊界.

思考2：即使能看清邊界，又如何記錄鋪開的面積呢？

演示：無網(wǎng)格做一次實(shí)驗(yàn)，滴入一滴油酸溶液，讓學(xué)生看油酸推開痱子粉的效果.

提問：如何測出油酸鋪開的面積呢？

圖6

演示：放上網(wǎng)格，再做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)介紹拍照記下邊界的方法，請同學(xué)幫忙一起操作.用攝像頭讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，同時(shí)借助于類似于QQ視頻的聊天軟件拍下多張連續(xù)的照片.給學(xué)生看拍下的照片，并且選擇一張效果較好的來處理數(shù)據(jù).對照電腦上的照片，一起數(shù)格子，得出數(shù)據(jù)(如圖6).

已知網(wǎng)孔邊長2.00cm，一滴溶液中含有純油酸4.0×10-5ml，數(shù)出格子數(shù)量為104格，通過運(yùn)算得知算出的油酸分子直徑為9.6×10-10m.

(4)演示器材的創(chuàng)新

圖7

筆者在該實(shí)驗(yàn)中制作了一個(gè)和淺盤尺寸配套的邊框，在這個(gè)邊框上均勻的打上小孔，穿上橡皮筋做成網(wǎng)格(如圖7).實(shí)驗(yàn)時(shí)可以把邊框放在淺盤上，不用的時(shí)候也可以方便的拿開，這樣清洗淺盤的時(shí)候就會很方便，也能洗的很干凈.孔間距在2cm比較合適，視覺效果好，便于觀察.但是對于這樣的處理方法還帶來一個(gè)較大的問題，那就是沒有辦法像在玻璃隔板上那樣用筆描畫邊界.

為了解決這個(gè)問題，演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候筆者在淺盤上方用鐵架臺架設(shè)一個(gè)攝像頭，學(xué)生可以通過投影屏幕看到攝像頭下的實(shí)驗(yàn)操作.同時(shí)可以利用類似于QQ視頻聊天的軟件工具拍下照片.油酸滴入水中后迅速鋪開，在這時(shí)候可快速拍下多張連續(xù)的照片，然后選取效果較好的一張照片立刻在電腦上顯示出來(如圖8).在這張照片上記錄了網(wǎng)格也記錄了邊界，之后對著電腦直接數(shù)格子也好，用紙打印出來數(shù)格子也好，都比較方便且準(zhǔn)確,效果非常好.

圖8

這節(jié)課中的設(shè)計(jì)從宏觀到微觀層層鋪墊，配合實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生能更好的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，大大增強(qiáng)了學(xué)生認(rèn)識微觀世界的好奇心和信心.