“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

(上海市南洋中學(xué)，上海 200032)

1 滬科版教材中的“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)

在滬科版教材高一第六章“分子和氣體定律”A節(jié)“分子阿伏伽德羅常數(shù)”中，關(guān)于“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)，只是提供了如圖1所示的圖片。在實(shí)際教學(xué)中，教師若只依據(jù)圖片講解，根本無(wú)法達(dá)到教學(xué)目的，有些老師會(huì)借助動(dòng)畫(huà)模擬，這樣僅限于學(xué)生能理解布朗運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生原因。在當(dāng)前注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的大前提下，我們要重視讓學(xué)生形成正確的物質(zhì)觀(guān)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和邏輯推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，注重揭示微觀(guān)與宏觀(guān)之間的聯(lián)系。筆者基于此原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖1

2 改進(jìn)后的“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

水粉顏料、生物顯微鏡、電子目鏡、Tracker軟件。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖2所示，在水彩顏料里加一些水稀釋?zhuān)缓蟮我稽c(diǎn)到載玻片上，再用蓋玻片拉成薄層，然后放在顯微鏡下，通過(guò)電子目鏡觀(guān)察。

圖2

與借助動(dòng)畫(huà)模擬或看圖片相比較，本實(shí)驗(yàn)裝置更能讓學(xué)生知道什么是布朗運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生原因，通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)理解分子做永不停息的無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。基于已經(jīng)選好的儀器，針對(duì)幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并進(jìn)行邏輯推理。

(1) 布朗運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象

通過(guò)電子目鏡觀(guān)察能看到有東西在動(dòng)。利用物鏡尺找到布朗運(yùn)動(dòng)中觀(guān)察微粒運(yùn)動(dòng)的放大倍數(shù)，即將最小間隔為0.01mm的物鏡尺放在同一顯微鏡下以及投影設(shè)備下觀(guān)察，得到清晰的像，然后用實(shí)際的尺去測(cè)量最小間隔的讀數(shù)，用這個(gè)讀數(shù)除以最小間隔，就得到放大倍數(shù)約為8000倍。直接用眼睛看不到任何運(yùn)動(dòng)，所以觀(guān)察到的不是一個(gè)常規(guī)物體的運(yùn)動(dòng)；從課本上提供的數(shù)據(jù)，我們知道，只有放大五千萬(wàn)倍才能看到分子的運(yùn)動(dòng)，所以看到的不是水分子的運(yùn)動(dòng)，也不是固體分子的運(yùn)動(dòng)；由此可知，我們觀(guān)察到的是水粉顏料中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)。

(2) 用Tracker追蹤研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況

圖3

利用Tracker軟件可以追蹤到經(jīng)多個(gè)相同時(shí)間間隔顆粒所在的位置。打開(kāi)布朗運(yùn)動(dòng)的一個(gè)視頻，創(chuàng)建一個(gè)顆粒作為追蹤對(duì)象，選擇自動(dòng)追蹤，確定要追蹤的對(duì)象，將圖像放大，不然你會(huì)感覺(jué)微粒在很小的范圍運(yùn)動(dòng)，我們逐幀追蹤，只要追蹤沒(méi)有錯(cuò)誤，右下角顯示綠色，選擇顯示所有追蹤的位置，通過(guò)濾鏡添加透視，這時(shí)觀(guān)察起來(lái)有點(diǎn)困難。將這些位置進(jìn)行連線(xiàn)，連線(xiàn)毫無(wú)規(guī)則，兩個(gè)位置的連線(xiàn)并不是固體顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，我們唯一能確定的是顆粒一定在兩個(gè)位置即起點(diǎn)和終點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)，這之間怎么運(yùn)動(dòng)并不清楚，但根據(jù)連線(xiàn)的無(wú)規(guī)則性可以推測(cè)，這個(gè)固體顆粒作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。我們只是追蹤了一個(gè)顆粒，為了證明結(jié)果并非偶然性，又追蹤了多個(gè)顆粒。圖3為隨機(jī)追蹤5個(gè)顆粒經(jīng)相等時(shí)間間隔的位置，然后將這些位置連接后形成圖形，從中可發(fā)現(xiàn)：每一個(gè)顆粒的位置連線(xiàn)都沒(méi)有規(guī)律，我們無(wú)法預(yù)測(cè)某個(gè)顆粒下一時(shí)刻會(huì)怎么動(dòng)，因此固體顆粒做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中的固體顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

(3) 固體顆粒無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的原因

固體顆粒也是宏觀(guān)世界中的物體，要找到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因，我們首先要對(duì)物體進(jìn)行受力分析?？芍核肿訉?duì)固體顆粒的撞擊是固體顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因。固體顆粒作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)說(shuō)明水分子對(duì)固體顆粒的撞擊無(wú)規(guī)則，通過(guò)觀(guān)測(cè)與邏輯推理，得出水分子做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。

(4) 關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)論

布朗運(yùn)動(dòng)不是固體分子的運(yùn)動(dòng)，也不是液體分子的運(yùn)動(dòng)，而是懸浮在液體中的固體顆粒的運(yùn)動(dòng)，它的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)反映了液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

這一節(jié)課的研究方法與力學(xué)有所不同，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，難以理解大量分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此要循序漸進(jìn)，通過(guò)對(duì)宏觀(guān)物理量的研究來(lái)間接研究微觀(guān)物理量，分子運(yùn)動(dòng)論的三個(gè)內(nèi)容要利用實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生初步建立起科學(xué)的物質(zhì)觀(guān)。有助于學(xué)生從分子的層面上來(lái)理解后面氣體的壓強(qiáng)、溫度和體積的關(guān)系。

筆者首先通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀(guān)察宏觀(guān)的物理現(xiàn)象，然后利用物鏡尺，找到放大倍數(shù)，突破教學(xué)難點(diǎn)：布朗運(yùn)動(dòng)是固體顆粒的運(yùn)動(dòng)。接著借助Tracker軟件追蹤，突破教學(xué)難點(diǎn)：固體顆粒作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。最后通過(guò)受力分析突破教學(xué)難點(diǎn)：布朗運(yùn)動(dòng)是液體分子對(duì)懸浮在液體中的固體顆粒的撞擊而產(chǎn)生的。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，使學(xué)生更容易理解布朗運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生原因，有助于學(xué)生建立正確的物質(zhì)觀(guān)，同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中也關(guān)注了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。