用數(shù)碼顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng)*

唐素珍

(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

1 發(fā)現(xiàn)問題

“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)是高中階段的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)要求通過對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察、記錄，同時(shí)分析布朗運(yùn)動(dòng)的原因，得出結(jié)論：布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng)，但它又間接反映液體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)．這部分內(nèi)容是“分子動(dòng)理論”的重要組成部分，在整個(gè)高中《物理·選修3-3》知識(shí)體系中占據(jù)著重要的地位，是整個(gè)熱學(xué)的基礎(chǔ)．因此讓學(xué)生觀察到布朗運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象就顯得尤為重要．教材在這部分利用的是如圖1所示的普通光學(xué)顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng)．實(shí)際教學(xué)中如果用光學(xué)顯微鏡對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察，不但操作復(fù)雜而且學(xué)生不能同時(shí)觀察，教師也不能實(shí)時(shí)分析講解．

圖1 普通光學(xué)顯微鏡下的布朗運(yùn)動(dòng)

為解決上述問題，筆者對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn).

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

碳素墨水，純凈水，數(shù)碼顯微鏡，Tracker軟件.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)懸濁液的制備

用膠頭滴管往50 mL的純凈水中滴入一滴碳素墨水，用玻璃棒攪拌均勻．

(2)載玻片的選擇與制作

1)載玻片的選擇: 載玻片選擇生物實(shí)驗(yàn)室的血細(xì)胞計(jì)數(shù)板(因?yàn)檠?xì)胞計(jì)數(shù)板上刻有格子，可以作為小顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)照，這樣小顆粒的運(yùn)動(dòng)看得更明顯)．

2)載玻片的制作：用膠頭滴管吸取一滴懸濁液滴在載玻片的凹槽內(nèi)，蓋上蓋玻片(注意不要留有氣泡)．

(3)實(shí)驗(yàn)裝置的使用

將制作好的載玻片置于數(shù)碼顯微鏡的載物臺(tái)上．將數(shù)碼顯微鏡與電腦連接，并打開電腦軟件的數(shù)據(jù)采集窗口(DC6000X中的 ScopeImage 9.0)，放大到全屏，顯微鏡選用放大400倍效果較好．這樣就可以讓全體學(xué)生共同觀察到小顆粒在不停地運(yùn)動(dòng)了．

(4)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)研究對(duì)象的分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)視野中可以觀察到黑色固體小顆粒在不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)．顯微鏡下觀察到的黑色小顆粒的尺寸大約是1 mm，我們選擇顯微鏡的放大倍數(shù)為400倍，由此就可以估算出運(yùn)動(dòng)著的固體小顆粒的大小約為10-6m的數(shù)量級(jí)，對(duì)比分子的數(shù)量級(jí)為10-10m，所以我們看到的黑色小顆粒的運(yùn)動(dòng)不是水分子的運(yùn)動(dòng)，也不是固體分子的運(yùn)動(dòng)；而是懸浮在水中的小碳粒的運(yùn)動(dòng)．

(5)利用Tracker軟件追蹤幾個(gè)不同的小碳粒的運(yùn)動(dòng)情況

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．用軟件打開一個(gè)布朗運(yùn)動(dòng)的視頻，建立坐標(biāo)軸和定標(biāo)桿，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，逐幀追蹤，這樣就可確定經(jīng)相同時(shí)間間隔顆粒所在的位置．選擇畫圖，確定橫縱坐標(biāo)分別為x和y，這樣就可以在軟件中畫出追蹤對(duì)象在不同時(shí)刻的位置圖，如圖2所示．將這些位置連線，可以發(fā)現(xiàn)連線毫無(wú)規(guī)則．根據(jù)連線的無(wú)規(guī)則性，我們可以推知布朗顆粒在做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)．

圖2 小碳粒A的不同時(shí)刻的位置圖

為了證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是偶然的，我們可以多追蹤幾個(gè)顆粒．圖2、圖3、圖4為隨機(jī)追蹤3個(gè)顆粒的位置圖．從中我們可以發(fā)現(xiàn)：每個(gè)粒子的位置連線都沒有規(guī)律，是無(wú)規(guī)則的．因此固體顆粒在不停地做無(wú)規(guī)則的運(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).

圖3 小碳粒B的不同時(shí)刻的位置圖

圖4 小碳粒C的不同時(shí)刻的位置圖

(6)解釋布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因

固體顆粒也是宏觀世界中的物體，要找到物體運(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．可知：水分子對(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．固體顆粒做無(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，通過觀測(cè)與邏輯推理，得出水分子做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)．

(7)觀察布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)小顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)要比大顆粒的運(yùn)動(dòng)明顯，解釋原理

懸浮在液體中的固體小顆粒不斷地受到液體分子的撞擊，固體小顆粒越小，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數(shù)越少，撞擊作用的不平衡性就表現(xiàn)得越明顯．如果懸浮在液體中的固體小顆粒很大，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數(shù)很多，各個(gè)方向的撞擊作用接近平衡，這時(shí)就很難觀察到布朗運(yùn)動(dòng)了．

(8)實(shí)驗(yàn)：溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈

利用數(shù)碼顯微鏡的錄像功能，現(xiàn)場(chǎng)錄制10 s左右的常溫下布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，在屏幕左邊播放，同時(shí)在屏幕右邊打開數(shù)據(jù)采集窗口．用酒精燈對(duì)懸濁液進(jìn)行加熱，對(duì)比觀察加熱前后布朗運(yùn)動(dòng)劇烈程度的變化．

綜合以上的分析，可見布朗運(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小顆粒的運(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)．而且溫度越高布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈．懸浮顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯．

3 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)將數(shù)碼顯微鏡連接電腦并投影，全班學(xué)生可以很清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這就使得實(shí)驗(yàn)由學(xué)生單個(gè)觀察轉(zhuǎn)換為學(xué)生在課堂上實(shí)時(shí)共同觀察，并且使得課堂上教師進(jìn)行實(shí)時(shí)分析講解成為可能，這不僅使實(shí)驗(yàn)更加直觀化、普及化，而且極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂效率，增強(qiáng)了課堂教學(xué)效果.

(2)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象的分析，讓學(xué)生突破難點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到：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)，而是固體小碳粒的運(yùn)動(dòng)，它間接反映液體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).

(3)利用Tracker軟件追蹤小碳粒的運(yùn)動(dòng)情況，可以很直觀地說(shuō)明小碳粒在做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)．

通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，使學(xué)生能更容易理解布朗運(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，同時(shí)在教學(xué)過程中也關(guān)注了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)．