放大式分子間隙實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張泓筠 朱丹

摘? ?要：以液體為研究對(duì)象，混合等體積的不同液體（以水和酒精為例），研究兩者體積的微小變化，并將這樣的微小變化予以放大。通過前后對(duì)比直觀顯示分子間存在間隙，橫向?qū)Ρ蕊@示不同分子間的間隙不一樣。

關(guān)鍵詞：液體;體積;微小變化;簡單儀器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）2-0051-3

1? ? 問題的提出

分子永不停歇地做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)、分子之間有間隙是物理教學(xué)中的基本問題之一[1]。教學(xué)中需要通過實(shí)驗(yàn)直觀展示出來。微觀分子的間隙，宏觀累積結(jié)果需要通過直觀放大增強(qiáng)教學(xué)效果。

既然分子運(yùn)動(dòng)屬于熱運(yùn)動(dòng)，分子的屬性必然與溫度有關(guān)，溫度的高低決定了分子運(yùn)動(dòng)的快慢、影響分子之間的空隙[2，3]。教材及相關(guān)資料中用類似量筒的分子間隙演示器實(shí)驗(yàn)效果也不錯(cuò)，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性還有待進(jìn)一步提高，實(shí)驗(yàn)裝置及方法的功能性也有待加強(qiáng)[4]。為此我們采用放大法設(shè)計(jì)了一套簡易方法，效果更為明顯。

2? ? 理論依據(jù)

（1）分子動(dòng)理論相關(guān)內(nèi)容：組成物質(zhì)的分子之間有空隙，不同物質(zhì)的分子之間間隙不同;熱脹冷縮，溫度是影響分子之間空隙大小的因素;相互擴(kuò)散的物體互相進(jìn)入對(duì)方，且溫度不同擴(kuò)散速度不同。

（2）氣體等溫變化。

（3）教學(xué)忠于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，以現(xiàn)象為中心，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，放大現(xiàn)象，增強(qiáng)直觀效果。

3? ? 設(shè)計(jì)方法分析

通常而言，兩種液體混合，即使能夠相互溶解、且相互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如果液體本身體積變化小，裝置沒有采取放大措施的話，微小的體積變化難以觀察清楚，因而在增大液體體積的情況下，應(yīng)同時(shí)采取放大措施。除此以外，通過封閉與液體相連的氣體的體積的連鎖變化，進(jìn)一步直觀顯示體積的變化過程。

用粗大試管增大混合液體體量，通過塞子上的玻璃管液位高低變化放大混合后的體積變化，然后通過U形管中的紅墨水封閉與液體相連的氣體，氣體體積隨液體體積變化，從而引起U形管中出現(xiàn)液面差（壓強(qiáng)差），進(jìn)一步直觀體現(xiàn)體積變化效果[如圖1（a）]。

4? ? 器材及裝置圖

玻璃管（5 mm×7 mm，L=200 mm），軟膠塞，長試管（32 mm×200 mm），乳膠管（5 mm×7 mm），（玻璃）U形管，滴管，鐵架臺(tái)，玻璃杯，注射器（50 mL），酒精噴燈，打孔器，標(biāo)簽條（2 mm×30 mm），酒精（密度ρ■=0.79 g/cm3），蒸餾水（密度ρ■=1.0 g/cm3），植物油（密度ρ■=0.9 g/cm3），（飽和）食鹽水。

兩種混合的液體理論上要求相互溶解且密度差別較小，這樣在同體積混合的情況下，體積的變化量相對(duì)要大一些，考慮到取材方便，用酒精和水已足以能夠反映問題。

大容器用一根粗試管代替，管口上用套有長玻璃管（5 mm×7 mm）的軟膠塞封住，玻璃管通過乳膠管與U形管左側(cè)相連[如圖1（a）]。

5? ? 操作方法

5.1? ? 顯示分子間隙

（1）取一根長200 mm的直玻璃管（5 mm×

7 mm），并將其套入已打孔的軟膠塞，玻璃管位于塞子下部分管口處用酒精噴燈施加彎曲加工。

（2）檢查裝置氣密性，用手掌握住試管主體，將玻璃管口插入水中，看是否有氣泡冒出。

（3）在試管中裝入容積一半左右的水，并用標(biāo)簽條標(biāo)記水位，然后用滴管加入2 mL植物油，用于初態(tài)時(shí)隔離水和酒精（植物油的密度介于水和酒精之間）。

（4）將塞子塞上試管口，然后用注射器通過玻璃管口灌注酒精，酒精通過玻璃管從下部彎曲處噴出，沿試管內(nèi)壁慢慢進(jìn)入試管，浮于植物油表面，直到酒精液面接近玻璃管口處。

（5）玻璃管口套上乳膠管，連接U形管（管中事先滴注紅墨水），通過注射器調(diào)整U形管中的紅墨水量，保持左右兩側(cè)液面高度一致;然后用止水夾夾住乳膠管，要求密封;整個(gè)裝置豎直固定于鐵架臺(tái)上，并用粘附性標(biāo)簽條定位豎直玻璃管中的液位[如圖1（a）]。

（6）混合酒精與水，將試管沿塞子上的乳膠管連接處倒過來，反復(fù)幾次，讓兩液體充分混合溶解，然后重新放回原位，觀察液位的變化，此時(shí)液位明顯下降，并用另一標(biāo)簽條定位下降后的液位，比較前后液位的變化[如圖1（b）]，發(fā)現(xiàn)h1

（7）將水換成同體積的食鹽水，使用同體積的酒精（玻璃管中初始液位高度相同），用上述同樣方法操作，用標(biāo)簽條標(biāo)記飽和食鹽水和酒精混合后豎直玻璃管中的液位，發(fā)現(xiàn)液位居于上述兩液位之間，即h1

說明：兩種不同液體的混合，分子間的作用力不同導(dǎo)致相互擴(kuò)散、溶解，打破了原來規(guī)則相的周期排列，混亂程度增加，熵亦增加。

5.2? ? 顯示分子間隙受溫度的影響

（1）按圖2（a）組裝（軟膠塞上左側(cè)的玻璃管上的乳膠管用止水夾夾住密封），采用上述（3）（4）（5）步驟灌注酒精使玻璃管中液位達(dá)到玻璃管中部位置，用標(biāo)簽條作好標(biāo)記，并與玻璃杯一起安置于鐵架臺(tái)上[如圖2（a）]。調(diào)整U形管兩邊液位高度相同。

（2）用溫水預(yù)熱玻璃杯以免急劇升溫破裂，然后加入高溫水（<80 ℃）把試管包埋起來，酒精被加熱升溫，玻璃管中液位不斷上升[如圖2（b）]。目前沒有足夠證據(jù)說明分子本身大小受溫度影響，只能說明酒精分子因溫度升高振動(dòng)幅度增大，從而間隙增大。同時(shí)，U形管兩側(cè)紅墨水高度差（Δh3）出現(xiàn)，并隨溫度升高不斷增大。

（3）去掉玻璃杯，讓試管恢復(fù)室溫，取下軟膠塞左側(cè)乳膠管上的止水夾，迅速插入滴管，用滴管滴加染色的酒精（此處仍然用同密度的酒精染色，避免因重力的作用干擾擴(kuò)散快慢），可以觀察到染色酒精在酒精中的擴(kuò)散過程[如圖2（c）]。另外，也可通過玻璃杯水浴加熱觀察不同溫度對(duì)擴(kuò)散的影響，手機(jī)分別拍視頻，然后同時(shí)放映對(duì)比。

6? ? 討論

盡管“溶解與擴(kuò)散被認(rèn)為是分子之間有間隙的證據(jù)”存在爭議，有些作者認(rèn)為熱脹冷縮和物態(tài)變化才是真正體現(xiàn)分子間隙的有力證據(jù)[5]。但教學(xué)上需要一定深度的抽象理論思考才能真正體會(huì)，微小的變化直觀性不夠。通常而言，人們認(rèn)為液體的溶解與擴(kuò)散歸結(jié)于不同物質(zhì)分子之間的作用力不同，水與酒精同屬于極性分子，兩者可以任意比例相溶，假如混合后體積不變的話，不能肯定間隙的存在，而問題在于混合后體積變小了，因而應(yīng)該可以肯定存在間隙，這是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時(shí)我們認(rèn)為，溶解與擴(kuò)散現(xiàn)象（一種物質(zhì)的分子進(jìn)入另一種物質(zhì)）只能是分子之間存在間隙的充分條件，而非必要條件，即如果兩種不同液體分子不能溶解擴(kuò)散的話并不能否定分子間隙的存在。

參考文獻(xiàn)：

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[3]許弟余.氣體分子運(yùn)動(dòng)論→氣體動(dòng)理論[J].物理教學(xué)探討，2003，21（04）：48.

[4]邵俊，喬啟源，儲(chǔ)懷祝.對(duì)演示分子間存在空隙的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006（10）：31.

[5]王之鵬.用擴(kuò)散現(xiàn)象說明分子間存在著間隙是一種誤導(dǎo)[J].中學(xué)物理（初中版），1997（06）：24-25.

（欄目編輯? ? 王柏廬）