氣體分子運動實驗的創(chuàng)新設(shè)計

熊建新

肉眼不能直接觀察到分子，但人們可以通過物體的一些宏觀表現(xiàn)來推斷構(gòu)成物體的分子的情況?；谶@種思想，設(shè)計了氣體擴散實驗、液體擴散實驗。現(xiàn)將人教版教材上氣體分子熱運動的演示實驗引述如下：

在裝著紅棕色二氧化氮氣體的瓶子上面，倒扣1個空瓶子，使2個瓶口相對，之間用一塊玻璃板隔開（圖略）。抽掉玻璃板后，會發(fā)生什么變化？二氧化氮的密度比空氣大，它能進到上面的瓶子里去嗎？由實驗可以看到，2個瓶子內(nèi)的氣體會混合在一起，最后顏色變得均勻。

該演示實驗?zāi)艹浞直砻鳉怏w分子在做無規(guī)則的運動。存在的問題是：①課前準(zhǔn)備二氧化氮繁瑣，對一般的物理老師來說不是一件容易的事。②實驗過程中難免氣體逸散，危害人體健康，污染環(huán)境。③現(xiàn)象不明顯（后排學(xué)生觀察不到）。④實驗完后處理不便。因此，幾乎沒有物理老師做這個實驗，一般是在黑板上圖示講解或者用PPT講解或者是看視頻。而演示液體擴散（分子運動）的實驗需要很長時間，根本不可能在課堂上操作，只能給學(xué)生看看圖片。在分子熱運動的教學(xué)上，無法做一個演示實驗是一大缺憾。為此，筆者利用物理實驗室的碘粒設(shè)計了一個實驗，演示效果非常好，現(xiàn)詳述如下。

1實驗器材

碘粒、大燒杯1 000 ml、圓底燒瓶500 ml、瓶蓋（比燒瓶口略大）、小燒杯250 ml、大試管（30 mm×200 mm）、電工膠布或透明膠、稍硬的紙、生粉（玉米淀粉）、剪刀、鐵架臺、復(fù)夾2個、燒瓶夾2個、涼水、開水等。

2實驗步驟及現(xiàn)象

2.1課前準(zhǔn)備

（1）在大燒杯中倒入適量的開水（以圓底燒瓶放入后水不溢出為宜），在圓底燒瓶中放入10粒左右的碘粒，用瓶蓋蓋住瓶口，然后把圓底燒瓶放入大燒杯中。很快，燒瓶中充滿了紫色的碘蒸氣，見圖1。倒出大燒杯中的熱水，取出燒瓶放在大燒杯中，等它冷卻至室溫。

圖1實驗現(xiàn)象（2）把稍硬的紙折成錐狀，錐直徑比大試管內(nèi)徑略大。

（3）在小燒杯中加入少許生粉（玉米淀粉），再倒入適量的涼水，搖動小燒杯，使生粉全部溶解，得到像牛奶狀的液體。把紙錐浸入，然后取出瀝干，見圖2。

圖2實驗方法（4）大試管口朝下，把瀝干的紙錐放入大試管中上部，錐尖向下，然后把大試管夾在燒瓶夾上，見圖3。

圖3實驗方法2.2課堂演示

（5）把燒瓶夾在燒瓶夾上，取下瓶蓋，使兩瓶口相對，然后用電工膠布把接縫處包起來，過2 min就看到錐狀紙尖變成藍色，見圖4。

圖4實驗現(xiàn)象隨著時間的延長，錐狀紙尖變成藍色的部分越來越大，越來越深，見圖5、圖6。

圖5實驗現(xiàn)象圖6實驗現(xiàn)象整個裝置放置12天后的現(xiàn)象見圖7。

圖7實驗現(xiàn)象3實驗現(xiàn)象分析及結(jié)論

淀粉有遇碘變藍的特性，大試管內(nèi)的錐狀紙尖變成藍色，說明紙上原有的淀粉遇到了碘蒸氣（單質(zhì)碘），而燒瓶中處于室溫的飽和碘蒸氣的密度比空氣大（飽和碘蒸氣的密度估算如下，已知1 mol任何氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是22.4 L，假設(shè)飽和碘蒸氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，其體積是500 ml，即0.5 L，其物質(zhì)的量是0.5/22.4 mol≈0.0223 mol；其質(zhì)量是0.022 3×254 g≈5.6 g，已知碘的相對原子質(zhì)量是126.9；其密度是5.6/0.5 g/L=11.3 g/L，遠大于標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度1.29 g/L），燒瓶中的碘蒸氣運動到上面的大試管中，不是由于受熱膨脹，也不是由于受到浮力，而是碘蒸氣分子不停地做無規(guī)則運動的結(jié)果。

4創(chuàng)新實驗設(shè)計的優(yōu)點

實驗器材容易得到，課前準(zhǔn)備容易，實驗中碘蒸氣不會逸散，安全環(huán)保，實驗時間短，現(xiàn)象明顯，趣味性強，還可以取下大試管和燒瓶讓后面的學(xué)生觀察。通過這個實驗，學(xué)生還復(fù)習(xí)了碘受熱易升華的性質(zhì)，加深了對淀粉遇碘變藍的認識。