“用油膜法測分子直徑”演示實驗教學設計與創新

(江蘇省鎮江中學，江蘇 鎮江 212017)

“油膜法測分子直徑”實驗教學的關鍵是如何將演示效果達到最佳.實際教學中我們常常碰到一些問題，例如：有機玻璃板上網格不夠清晰，尤其是長期多次使用以后，還會留有水筆劃過的痕跡，多次擦洗后也會留下模糊的痕跡.這使得我們在做實驗的時候不易看清板下油酸推開痱子粉的邊界,也不方便畫出邊界.又如，油酸推開痱子粉時一直處于動態過程，描邊界時邊界還同時在變化，描出來的邊界也不夠準確.

針對以上問題，筆者在油膜法實驗裝置和處理方法上進行了改進創新，能夠讓學生在座位上看的很清楚，大大增強演示效果.之前教師演示該實驗的時候都是使用實物展臺，清晰度不高，蓋上玻璃蓋板后更加無法看清油膜邊界.在這個實驗中采用高清攝像頭，再加上鏤空網格，對實驗現象的清晰呈現起了很好的作用.同時實驗處理數據也在預計的誤差范圍內，所有的實驗油酸分子直徑算出來都在10-10m～10-9m之間，而公認的油酸分子直徑為1.12×10-9m，能很好地說明實驗原理，同時也能較好地解釋實驗誤差.

1 實驗教學設計思路

本節課的重難點之一是要教會學生利用宏觀量求微觀量的方法，尤其是需要求出分子的直徑，因此要通過先從宏觀小顆粒引入，才能讓學生有更深刻的印象.本節課是以測綠豆直徑方法向測分子直徑過渡的，銜接比較自然.用以下問題引入順理成章：如何用油膜法估算分子直徑？用什么材料做實驗？為什么要用稀釋的溶液做實驗？如何配置溶液？如何看清油膜邊界？

學生接受知識有個梯度，很多時候不能一步到位，因此首先設計了小球模擬分子實驗，讓學生充分理解為何選用油酸的酒精溶液做實驗，在真實做油膜實驗時再解決剩下的問題，同時為了增強演示效果，對實驗器材進行了改進.

因為分子尺寸非常小，無法用肉眼直接觀察，所以學生并沒有太多的直觀經驗，因此在實驗教學中設計體驗的過程，讓學生有更直接的“分子之小，分子之多”的體會，也能同時明白阿伏伽德羅常數的意義.

2 實驗教學創新做法

(1)建立“分子球體模型”

在演示該實驗之前需要讓學生明白分子球體模型.建立球體模型的概念需要以事實說話.因此在引入的時候要有一些掃描的照片作為支撐.

人們長久以來一直沒有停下對微觀世界的探索，目前已經能用比較先進的儀器來探究微觀世界.例如掃描隧道顯微鏡(如圖1)，原子粒顯微鏡、離子顯微鏡等.掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察物體表面原子，還可以進行操作，把原子進行重新排列，圖2展示了石墨層面上的碳原子.通過對掃描隧道顯微鏡的簡單了解，和對掃描照片的觀察，學生很容易建立分子球體模型的概念.

圖1

圖2

(2)由宏觀量測微觀量方法的引入

原子接近于一個個小球體，如果我們把分子看成是一個球體的話，在不使用先進儀器的情況下，我們該如何去估測這么小的“球體”的大小呢？

智慧小故事給我們的啟發：古代“曹沖稱象”的故事采取了“化整為零”的方法，那么要測微小顆粒的尺寸的方法是“聚零為整”.用對比的方法引入，容易想到“聚零為整”的積累法.

思考：如果沒有游標卡尺，用積累法如何去測綠豆的直徑？

學生會提出很多類似的方案，總結如下：

圖3

圖4

圖5

(3)油膜法的引入

提問1：分子大小的測量是否可以采用以上方法？

答：前兩種方案不可行，因為分子數目非常龐大,只有最后一種可以實施.

提問2：選什么樣的物質來做實驗？

答：用液體更易實現.

液體滴在哪里才能實現單層鋪開？

答：在液面上.

思考1：油酸是無色透明的，如何看清鋪開的邊界.

思考2：即使能看清邊界，又如何記錄鋪開的面積呢？

演示：無網格做一次實驗，滴入一滴油酸溶液，讓學生看油酸推開痱子粉的效果.

提問：如何測出油酸鋪開的面積呢？

圖6

演示：放上網格，再做實驗，同時介紹拍照記下邊界的方法，請同學幫忙一起操作.用攝像頭讓學生觀察實驗，同時借助于類似于QQ視頻的聊天軟件拍下多張連續的照片.給學生看拍下的照片，并且選擇一張效果較好的來處理數據.對照電腦上的照片，一起數格子，得出數據(如圖6).

已知網孔邊長2.00cm，一滴溶液中含有純油酸4.0×10-5ml，數出格子數量為104格，通過運算得知算出的油酸分子直徑為9.6×10-10m.

(4)演示器材的創新

圖7

筆者在該實驗中制作了一個和淺盤尺寸配套的邊框，在這個邊框上均勻的打上小孔，穿上橡皮筋做成網格(如圖7).實驗時可以把邊框放在淺盤上，不用的時候也可以方便的拿開，這樣清洗淺盤的時候就會很方便，也能洗的很干凈.孔間距在2cm比較合適，視覺效果好，便于觀察.但是對于這樣的處理方法還帶來一個較大的問題，那就是沒有辦法像在玻璃隔板上那樣用筆描畫邊界.

為了解決這個問題，演示實驗的時候筆者在淺盤上方用鐵架臺架設一個攝像頭，學生可以通過投影屏幕看到攝像頭下的實驗操作.同時可以利用類似于QQ視頻聊天的軟件工具拍下照片.油酸滴入水中后迅速鋪開，在這時候可快速拍下多張連續的照片，然后選取效果較好的一張照片立刻在電腦上顯示出來(如圖8).在這張照片上記錄了網格也記錄了邊界，之后對著電腦直接數格子也好，用紙打印出來數格子也好，都比較方便且準確,效果非常好.

圖8

這節課中的設計從宏觀到微觀層層鋪墊，配合實驗演示，讓學生能更好的體驗實驗設計過程，大大增強了學生認識微觀世界的好奇心和信心.