有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

李德前 魏海

摘要：在現(xiàn)行初中化學(xué)、物理、科學(xué)等教科書中，根據(jù)某些有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)和生活現(xiàn)象，從而得出“微粒不斷運(yùn)動(dòng)”的推論并不夠嚴(yán)謹(jǐn)。為了克服重力場(chǎng)和密度差的干擾，利用彎曲形狀容器（如U形管、V形管、連通器等），選用密度大于水的有色易溶物質(zhì)，對(duì)“有色物質(zhì)在水中的擴(kuò)散”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。通過有色物質(zhì)在水中向下分散、向上擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以合理地得出“微粒不斷運(yùn)動(dòng)”的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：有色易溶物質(zhì)；水中擴(kuò)散；重力場(chǎng)干擾；密度差干擾；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）3–0060–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基礎(chǔ)教育課程改革以來，各種版本的義務(wù)教育化學(xué)、物理、科學(xué)等教科書為了說明“物質(zhì)是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構(gòu)成的”，以及“微粒總是在不斷運(yùn)動(dòng)的”，大多包含了“有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散”的實(shí)驗(yàn)或生活現(xiàn)象。但依據(jù)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或有關(guān)生活現(xiàn)象得出的結(jié)論有點(diǎn)牽強(qiáng)附會(huì)，筆者對(duì)此進(jìn)行了分析和改進(jìn)。

人民教育出版社2001年以來出版的九年級(jí)化學(xué)教科書上冊(cè)，均安排了“品紅在水中擴(kuò)散”的實(shí)驗(yàn)（課本配圖見圖1）；2012年出版的九年級(jí)化學(xué)教科書在該實(shí)驗(yàn)之后，還陳述道“如果使用的是熱水，品紅的擴(kuò)散會(huì)更快一些”[1]。

上海教育出版社2001年以來出版的九年級(jí)化學(xué)教科書上冊(cè)，在“練習(xí)與實(shí)踐”欄目均安排如下習(xí)題：“試解釋下列現(xiàn)象：將一滴紅墨水滴加到一杯水中，片刻后，整杯水慢慢變紅。[2]”

北京教育出版社2003年以來出版的九年級(jí)化學(xué)教科書上冊(cè)（北京市仁愛教育研究所編著），在“聯(lián)系實(shí)際”欄目均安排了如下問題：“你能用微粒構(gòu)成物質(zhì)的觀點(diǎn)說明下列事實(shí)并解釋生活中更多的現(xiàn)象嗎：藍(lán)墨水把水染成藍(lán)色。[3]”（課本配圖見圖2）

科學(xué)出版社、廣東教育出版社2003～2011年期間出版的九年級(jí)化學(xué)教科書上冊(cè)，在“習(xí)題”欄目中安排了如下習(xí)題：“請(qǐng)你用分子的觀念解釋：把幾滴藍(lán)墨水滴進(jìn)水杯的水里，過一會(huì)兒整杯水就變藍(lán)了?！保ㄕn本配圖見圖3）；2012年出版的九年級(jí)化學(xué)教科書，則將該內(nèi)容和配圖調(diào)整到教材正文的“討論與交流”欄目里[4]。

山東教育出版社2012年出版的九年級(jí)化學(xué)教科書上冊(cè)，在“挑戰(zhàn)自我”欄目中安排了一道單項(xiàng)選擇題：“對(duì)下列現(xiàn)象的解釋錯(cuò)誤的是（ ）……B.現(xiàn)象：紅墨水加入水中后，整杯液體變?yōu)榧t色。解釋：分子總是在不斷運(yùn)動(dòng)。[5]”

上海教育出版社2007年以來出版的九年級(jí)化學(xué)課本（上海市教材），在“思考與討論”欄目中安排了如下問題：“為什么將少量品紅放入一盆水中，過一段時(shí)間后，整盆水都呈紅色？[6]”

江蘇科學(xué)技術(shù)出版社2012年出版的八年級(jí)物理教科書下冊(cè)，在“活動(dòng)”欄目呈現(xiàn)了“紅墨水在水中散開”的生活事實(shí)（課本配圖見圖4），并陳述道“將紅墨水滴入水中，可以看到它在水中擴(kuò)散開來，這是由于墨水分子和水分子不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，彼此進(jìn)入了對(duì)方的分子空隙中”[7]。

浙江教育出版社2012年出版的七年級(jí)科學(xué)教科書上冊(cè)，在“活動(dòng)”欄目中安排了“液體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)：用注射器慢慢將紅墨水分別注入冷、熱水的底部”[8]。（課本配圖見圖5）

綜上可知，初中化學(xué)、物理、科學(xué)教科書一直注重選用“有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散”的實(shí)驗(yàn)或生活現(xiàn)象作為教材內(nèi)容。

上述有色物質(zhì)（品紅、紅墨水、藍(lán)墨水等）均是在豎直狀容器（燒杯、水杯、臉盆、魚缸等）的水里向下分散，有色物質(zhì)如密度大于水這主要是重力作用的結(jié)果，并非全是微粒熱運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的擴(kuò)散。密度大于水的有色物質(zhì)（如紅墨水、藍(lán)墨水等），其在水中快速下降的宏觀展示，還常常給學(xué)生以微?？焖龠\(yùn)動(dòng)的假象，其實(shí)單位時(shí)間內(nèi)微粒運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來的宏觀位移是非常小的。如果是把密度小于水的有色物質(zhì)加入水底，則由于密度差的作用會(huì)快速向上分散，這同樣也是微粒擴(kuò)散的假象。

最近，浙江大學(xué)郭喨老師對(duì)人教版“品紅在水中擴(kuò)散”演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是：在無風(fēng)的恒溫室內(nèi)，將吸有品紅溶液的針管緩慢伸入等密度溶液不進(jìn)行任何注射操作而將其固定起來，任由長(zhǎng)針頭接觸點(diǎn)的品紅自由擴(kuò)散進(jìn)入溶液中[9]。由于郭老師的實(shí)驗(yàn)是在燒杯里進(jìn)行的，所以他仍然沒有解決“重力干擾”問題，而且郭老師的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不夠明顯，給出的實(shí)驗(yàn)條件在教室里也難以達(dá)到。

基于初中生的知識(shí)水平，并結(jié)合初中實(shí)驗(yàn)室和教室的裝備實(shí)際，筆者主要從排除“重力場(chǎng)”和“密度差”干擾的視角，對(duì)“有色物質(zhì)在水中擴(kuò)散”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，選用彎曲狀透明儀器（如U形管、V形管、連通器等）和密度大于水的有色固體物質(zhì)（如高錳酸鉀、甲基橙等）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)密度大于水的有色物質(zhì)在水中向下分散（并使周圍的水全部變色）的現(xiàn)象，可以得出“物質(zhì)都是由微小粒子構(gòu)成”的結(jié)論；根據(jù)密度大于水的有色物質(zhì)在水底能夠水平擴(kuò)散、向上擴(kuò)散，又可以得出“微?？偸窃诓粩噙\(yùn)動(dòng)”的結(jié)論。

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

U形管、連通器、V形管、藥匙等。

高錳酸鉀固體（ρ=2.703 g/cm3）、甲基橙固體（ρ=1.28 g/cm3）、蒸餾水等。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作

以下實(shí)驗(yàn)均在室溫28℃的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，室內(nèi)也無明顯的空氣流動(dòng)。

（1）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)Ⅰ裝置見圖6，夾持裝置略。

①取一個(gè)20×200mm的U形管，然后將U形管固定。

②先向U形管里加入適量的蒸餾水（水面離管口約2～3cm，水若過多易從管口濺出），再將適量（藥匙的小匙取半匙）的高錳酸鉀固體，加入U(xiǎn)形管左支管的水中?？梢杂^察到高錳酸鉀在水中快速下沉，不到2min整個(gè)左支管內(nèi)的水從上到下逐漸變?yōu)樽霞t色。其間，可以引導(dǎo)學(xué)生思考“高錳酸鉀加入U(xiǎn)形管左支管的水中后，為什么整個(gè)左支管中的水都逐漸變成了紫紅色”，從而引發(fā)學(xué)生得出“物質(zhì)都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構(gòu)成的”客觀事實(shí)。

③進(jìn)入U(xiǎn)形管底部的高錳酸鉀微粒，又逐漸進(jìn)入U(xiǎn)形管右支管的水中，并異常緩慢地向上擴(kuò)散（30min內(nèi)紫紅色向上的位移約有1cm）。其間，可以引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么高錳酸鉀在水中會(huì)向上擴(kuò)散”，于是得出“微?？偸窃诓粩噙\(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（持續(xù)觀察可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到10h左右，U形管右支管里的水才全部變紅。）

（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)Ⅱ裝置見圖7，夾持裝置略。

①用口徑約為1cm的玻璃管，自制規(guī)格為8×8×8cm的有柄V形玻璃管[10]，然后將其固定。

②從V形管的左支管口，先注入適量的蒸餾水（水面離支管口約2cm），再將適量（藥匙的小匙取1/3匙）的高錳酸鉀固體加入水中。可以觀察到水中的高錳酸鉀顆粒順著支管內(nèi)壁緩緩向下移動(dòng)，不到3min整個(gè)左支管內(nèi)的水從上往下逐漸變?yōu)樽霞t色。此時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么高錳酸鉀加入V形管左支管的水中后，整個(gè)左支管里的水都逐漸變成了紫紅色”，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生得出“物質(zhì)都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構(gòu)成的”客觀事實(shí)。

③進(jìn)入V形管底部的高錳酸鉀微粒，又逐漸進(jìn)入V形管右支管的水中，并極其緩慢地向上擴(kuò)散（30min內(nèi)紫紅色斜向上的位移約有1.5cm）。其間，可以引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么高錳酸鉀在水中會(huì)向上擴(kuò)散”，這又不難得出“微?？偸窃诓粩噙\(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（持續(xù)觀察可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到8h左右，V形管右支管里的水才全部變紅。）

（3）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)Ⅲ裝置見圖8。

①取一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)使用的連通器，將其放置在平穩(wěn)的地方，然后向其中注入適量的蒸餾水（水面離管口約有2～3cm）。

②從連通器粗直管的管口加入適量（藥匙的小匙取一平匙）的高錳酸鉀固體，可以觀察到高錳酸鉀顆粒在水中快速下沉，不到3min整個(gè)粗直管內(nèi)的水從上往下逐漸變?yōu)樽霞t色。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考“高錳酸鉀加入連通器粗直管的水中后，為什么粗直管中的水都逐漸變成了紫紅色”，從而引發(fā)學(xué)生得出“物質(zhì)都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構(gòu)成的”客觀事實(shí)。

③進(jìn)入連通器底部水中的高錳酸鉀微粒，在水平管中極其緩慢地向右水平擴(kuò)散（30min內(nèi)紫紅色的位移約有1.5cm）。隨后，高錳酸鉀微粒又先后進(jìn)入連通器細(xì)曲管、雙球管、細(xì)直管的水中。在30min內(nèi)，紫紅色在細(xì)直管的水中能上升1cm左右，在雙球管的水中能上升0.5cm左右（可能是球型空間延緩了微粒的位移），在細(xì)曲管的水中能上升0.3cm左右（可能是又細(xì)又彎的形狀增加了微粒之間的碰撞幾率，造成位移偏小）（見圖9）。其間，可以引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么高錳酸鉀在水中會(huì)水平擴(kuò)散、向上擴(kuò)散”，從而得出“微粒總是在不斷運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（持續(xù)觀察可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到12h左右，細(xì)直管里的水才全部變紅；24h左右，細(xì)曲管、雙球管里的水才全部變紅。）

另外，選用甲基橙作為示蹤物質(zhì)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)甲基橙擴(kuò)散的速率相對(duì)于高錳酸鉀而言會(huì)慢很多，這可能與甲基橙是分子結(jié)構(gòu)、高錳酸鉀是離子結(jié)構(gòu)有關(guān)，還可能與甲基橙的密度小于高錳酸鉀而略大于水有關(guān)。

3.3 幾點(diǎn)說明

（1）本實(shí)驗(yàn)不宜使用密度小于水的有色物質(zhì)（如品紅）進(jìn)行示蹤，因?yàn)槊芏刃∮谒挠猩镔|(zhì)在水中擴(kuò)散時(shí)，其在水中下降會(huì)受到重力干擾，而從水底上升又受到密度差的干擾。

（2）實(shí)驗(yàn)中有色固體不要加的太少，否則實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯。

（3）實(shí)驗(yàn)過程中，儀器一定要保持平穩(wěn)，不能有絲毫的晃動(dòng)，否則就相當(dāng)于增加了攪拌操作，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度降低。

（4）利用連通器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，有色固體最好從粗直管或細(xì)直管加入，這樣可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。如果從細(xì)曲管或雙球管加入，微粒擴(kuò)散得異常緩慢，不利于實(shí)驗(yàn)演示。

（5）微粒運(yùn)動(dòng)的速率雖然是很快的（約為10m/s），但由于微粒碰撞致使微粒運(yùn)動(dòng)的方向隨時(shí)改變，因而微觀粒子的位移最低可能僅有10-9～ 10-10m/s，所以高錳酸鉀、甲基橙在水中向上擴(kuò)散時(shí)的速率慢、位移小。課堂上教學(xué)時(shí)間有限，只要觀察到有色物質(zhì)在水中有明顯的水平移動(dòng)、向上移動(dòng)現(xiàn)象，即可說明“微粒不斷運(yùn)動(dòng)”，而不必等到微粒完全擴(kuò)散到整個(gè)水中。若要滿足學(xué)生持續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的需要，教師可以提前將實(shí)驗(yàn)裝置放在教室內(nèi)或提前拍攝實(shí)驗(yàn)視頻。本節(jié)課中教師既演示實(shí)驗(yàn)，又適時(shí)播放相關(guān)視頻（最好用快進(jìn)播放），從而彌補(bǔ)不能連續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不足。

（6）若要證明溫度與微粒運(yùn)動(dòng)速率的關(guān)系，可以使用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即相同的實(shí)驗(yàn)儀器、相同的有色物質(zhì)，不同溫度的蒸餾水。

3.4 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）使用U形管、V形管、連通器等非直線型儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，密度大于水的有色物質(zhì)能在水底向上擴(kuò)散，有效地排除了重力場(chǎng)、密度差的宏觀干擾，更加有利于微觀粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀展示，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，更有說服力。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎，具有一定的趣味性，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

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