注重實驗設計 促進學生認識分子力

羅玉芹

(江蘇省淮陰中學，江蘇 淮安 223002 )

分子熱運動理論表明：分子都在做永不停息的無規(guī)則運動，從動力學角度而言，這肯定與分子之間的作用力相關。分子處于微觀世界，學生沒有直觀的體驗，因此關于分子力的實驗往往需要采用轉(zhuǎn)化的思想，將微觀層面的分子力在宏觀層面展示出來，以加深學生的理解。

1 鋪墊實驗：酒精和水的混合實驗

認識分子力之前，要引導學生認識到分子間隙的存在，這是一個鋪墊性的認識，正是分子之間存在間隙，那么大量的分子要能組合成為一個物體，就必然要求分子之間存在力的作用。

實驗器材：玻璃管一根(長度約為1m，內(nèi)徑為1cm )、橡皮塞、酒精和摻有紅色染料的水各30mL、記號筆。

實驗過程：將水和酒精倒入玻璃管中，用記號筆標記液面的位置，再用橡皮塞封住玻璃管，上下倒置數(shù)次讓液體充分混合，正立靜置一段時間后觀察液面的位置。

實驗現(xiàn)象：液面明顯低于初始位置，液體混合后的總體積明顯小于混合前體積之和，這是什么原因呢？這將使學生意識到分子間隙的存在。

教學意圖：分子間隙的存在表明分子之間存在距離，這是與分子力有著重要關聯(lián)的物理量，因此在認識分子力之前，通過鋪墊性的實驗，讓學生具有必要的知識儲備。

2 直觀實驗：鉛塊相互吸附的實驗

要讓學生感受到分子力的存在，必須要用最直觀的實驗來展示。教師要注意引導學生對比實驗現(xiàn)象，由此強化他們對分子力以及相關特點的感知。在實驗條件允許的情況下，可將實驗器材交給學生，讓學生在自主操作中進行體會。

實驗器材：帶有掛鉤的圓柱體鉛塊兩塊、鐵架臺、重錘。

實驗過程：先讓學生檢查鉛塊，確認不是磁鐵，然后讓學生將鉛塊壓在一起，由于接觸面不夠平整，因此很難產(chǎn)生吸引現(xiàn)象。教師指導學生用小刀將鉛塊的端面削平并刮光，然后將兩個平整度較好的端面壓在一起，學生發(fā)現(xiàn)鉛塊能夠吸附在一起，教師進一步安排學生將重錘懸掛在鉛塊的下方(圖1)，學生驚異地發(fā)現(xiàn)：重錘掛上去后，鉛塊還是吸附在一起，有興趣的學生還可以增加重錘的個數(shù)，比一比誰能夠掛更多的重物。

圖1

實驗現(xiàn)象：將兩個鉛塊打磨平整的端面貼合在一起能夠產(chǎn)生吸引力，表明固體分子間的引力較大。

教學意圖：在實際教學中，應該引導學生從比較的角度著手，讓學生在自主操作中體會如果平整度欠佳，鉛塊將無法吸附到一起，只有平整度較好時，鉛塊分子之間的引力才能有效體現(xiàn)出來。自主操作的實驗往往能夠給學生更加直觀的體驗，他們能夠零距離地進行觀察，而且在自己用手按壓或掰開鉛塊的過程中，他們能夠切實感受到分子力的存在，這一點是我們力推學生實驗的出發(fā)點。不少教師擔心學生實驗失敗率較高，會耽誤課堂教學的進度，筆者認為這種擔心是多余的，實驗的成功或失敗對學生來講都是寶貴的成長經(jīng)歷。

3 進階實驗：用彈簧測力計測量把玻璃板拉離水面的力

鉛塊實驗能讓學生直觀地感受到分子力的存在，不少學生也從中了解到分子距離對分子力可能產(chǎn)生影響。教師可進一步開展實驗，比如用彈簧測力計測量把玻璃板拉離水面所需的力，從定性到定量，這是物理學習的常規(guī)順序，也是學生認知和理解分子力的可靠途徑。

實驗器材：有機玻璃(厚度為5mm，邊長為10cm)、水槽、彈簧測力計、細線等。

實驗過程：用細線固定住玻璃板，使其平面與水平面平行，用細線將其向上吊起，將細線的上端系成繩套，用彈簧測力計的掛鉤勾住繩套，使玻璃板處于靜止狀態(tài)，讀出彈簧測力計此時的讀數(shù)，這就是玻璃板所受的重力。然后將玻璃杯提至盛有清水的水槽上方并緩慢下降，當玻璃板的下表面與水面恰好接觸時，手提著彈簧測力計緩慢上拉玻璃板，觀察彈簧測力計示數(shù)的變化。

實驗現(xiàn)象：學生在實驗中會產(chǎn)生深刻的體會，為什么玻璃板懸空放置和與水接觸后受力有如此大的區(qū)別？從受力分析的角度來講，水對玻璃板有向下的拉力，可以證明水與玻璃之間存在分子力的作用。

教學意圖：相比于鉛塊相互吸附的實驗，彈簧測力計讀數(shù)的差別能夠給學生有較為直觀的認識，通過數(shù)據(jù)來說話可以讓學生更加信服，學生用手提著彈簧測力計，能夠感受到分子之間的引力，這樣的實驗體驗對學生的概念理解助力良多。

4 隨堂實驗：探索膠水的微觀機理

分子力雖然是一個微觀層面的作用力，但是其宏觀表現(xiàn)在生活中卻有著廣泛的應用。教師在指導學生分析相關情境時要善于通過隨堂實驗激活學生的思維，引導學生用物理原理來進行分析。

比如有學生提出既然分子之間存在吸引力，那么讓兩個物體靠近之后，能不能靠著彼此之間的分子引力吸附在一起呢？這個問題涉及分子力與距離之間關系的討論，如圖2所示當分子之間的距離相距較遠時，它們之間的分子力非常小，幾乎可以忽略，只有當分子間距離小到一定程度之后才能產(chǎn)生效果。而且在分析上述問題時，學生還容易產(chǎn)生這樣的錯誤認識：將兩個物體靠近單純進行按壓后無法將其融合在一起，這是因為分子之間存在斥力的影響。這種觀點也是錯誤的，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因還是分子之間的間隙太大，分子力無法發(fā)生作用。從圖2中也可以發(fā)現(xiàn)：在分子間距離較小的情形下，分子力如果要發(fā)揮作用，也是先體現(xiàn)為引力效果，只有當分子之間的距離小到一定程度后，才會體現(xiàn)為斥力。那么是什么原因?qū)е挛矬w即便靠近也無法出現(xiàn)分子引力呢？比如碎成兩塊的玻璃，即便能夠嚴絲合縫地靠在一起，也不能實現(xiàn)“破鏡重圓”的效果，原因就在于在微觀層面玻璃碎裂處依然有很大距離，無法讓分子力發(fā)生作用。

圖2

實驗器材：一張紙、清水。

實驗過程：將紙按壓在課桌的側(cè)面，松手之后，紙張飄落，這表明紙張與課桌之間的分子力并沒有產(chǎn)生效果；在紙上沾一些水，再次將其按壓在課桌的側(cè)面，松手后紙張沒有飄落；一段時間后水蒸發(fā)干了，紙張飄落。

實驗效果：沒有沾水時，紙張和課桌側(cè)面之間有較大距離，很難達到分子力作用的范圍；沾了水之后，水的流動性可以有效填補分子之間的間隙，從而縮短分子之間的距離，進而讓分子力產(chǎn)生效用；水干了之后，分子之間的間隙增大，且因為水蒸發(fā)過程中表面張力的影響，紙張不同位置收縮程度不同，反而在一定程度上增大了分子之間的間隙，這更讓紙張與桌面之間無法緊密貼合，分子力的影響更無從談起。

教學意圖：認知和理解物理規(guī)律必須要讓學生結(jié)合實踐性較強的物理情境進行分析，上述實驗情境其實就是在分析膠水粘合的機理，膠水利用流動性拉近分子與分子之間的距離，讓分子引力發(fā)生作用，并最終凝固讓分子力持久保留下去。