觀察到的是“擴散”現象嗎?

倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發展中心，江蘇 太倉 215400)

觀察到的是“擴散”現象嗎?

倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發展中心，江蘇 太倉 215400)

在“分子熱運動”這一課教學中,很多教師都用觀察“墨水滴入水中發生擴散”實驗作為新課引入．

桌子上有一個燒杯,燒杯中盛有一定體積的水,旁邊有一個裝有墨水的滴管,將滴管中一滴墨水滴入到燒杯中,觀察過一段時間后,觀察到整杯水都變紅了.這種現象說明分子在做永不停息的無規則運動,物理學中把這種現象叫做擴散現象．

為了進一步說明擴散快慢與溫度有關，再把墨水滴入一杯冷水和一杯熱水中,看到熱水中顏色變均勻地較快,說明熱水中分子擴散的更快．

表面上看,這個設計沒有問題．但是,當仔細觀察實驗現象時,就會發現,問題遠比想象的復雜．在聽課過程中,筆者不禁產生了這樣的疑問:學生觀察到的是墨水滴在水中發生的擴散現象嗎?

1 實驗觀察到的現象及現象背后的含義

如圖1，當墨水滴入到燒杯中,最先觀察到墨水滴在燒杯中成絮狀下沉,同時邊界慢慢擴大;如圖2,墨水滴在燒杯中的絮狀向四面八方運動擴展,邊界處慢慢模糊;如圖3,墨水的絮狀幾乎充滿燒杯,足夠長時間后,整杯水都均勻地被染成了紅色．

圖1

圖2

圖3

顯然,在這個過程中,從圖1到圖2的狀態,從圖2到圖3的最初狀態,發生的主要物理現象應該是液體的對流,由于墨水的密度大于水的密度,所以,墨水滴入到燒杯的初期,最先觀察到墨水滴在燒杯中成絮狀下沉,又由于溫度的差異,加速了這種對流,當然,同時也伴隨著擴散現象的產生;當進入圖3的狀態,液體的對流慢慢變緩慢,在接下來較長的時間,分子的擴散使整杯水均勻的變成了紅色．

所以,這個物理過程,同時發生著兩種物理現象.讓學生如何觀察、觀察什么?是十分重要的東西,需要教師提醒學生的．否則,實驗起到了相反的作用．

2 容易混淆的3種物理現象

在“分子熱運動”這一課教學中,有3種容易混淆的物理現象．一不小心,教師也會犯錯．

第一種是對流．對流是液體(或氣體)整體的運動,凡是肉眼直接能觀察到的,都與對流有關．冬天飛舞的雪花,空氣中舞動的塵埃,墨水滴在燒杯中的擴展,都是由流體整體運動決定的．

第二種是布朗運動．布朗運動是懸浮在液體中的顆粒,在液體分子的撞擊下,做的無規則運動．布朗運動的主體是懸浮在液體中的顆粒,盡管顆粒肉眼觀察不到,但顆粒與分子比較,仍屬于宏觀粒子,所以,可用顯微鏡進行觀察．

第三種是分子擴散運動．運動的主體是分子,由于分子極小,所以,分子運動是一種“看不見的運動”．因此,分子擴散運動是不能直接觀察的．所謂“觀察分子擴散運動”,其實,并沒有看到真實的運動,是比較前后兩個狀態的區別,間接地推測出分子的擴散運動．

3 “液體中擴散現象”實驗的注意點

3.1 不同種類的墨水的使用

這方面,有人做過專門的研究．

例如,準備了4種常用的墨水:紅墨水、純藍墨水、碳素墨水和墨汁．

哪些種類的墨水,可以用來觀察“墨水滴入水中發生擴散”?

簡單地說,滴入水中后最后能形成透明的溶液的墨水,可以用作實驗．

紅墨水滴在水中后,一會兒這杯水就會變成紅色透明的溶液,剛滴時的紅色絮狀物也逐漸溶解在水中．這是因為通常制造紅墨水的有機染料有墨水紅、一品紅、酸性大紅G,這些染料都是不穩定的,因此它們滴到水中以分子的形式進入到水分子的間隙中做無規則運動．也就是擴散所說的“你中有我,我中有你”．所以紅墨水滴在水中發生擴散現象．

純藍墨水滴在水中,最后整杯水會變成接近紫色透明的溶液．因為純藍墨水的主要原料為可溶性的藍色染料,加阿拉伯膠及防腐劑制成．可溶性的藍色染料遇水后會褪色,所以最后看到的顏色接近于紫色．通過查閱資料,筆者發現組成純藍墨水的成分都是可溶于水的,所以純藍墨水滴在水中,它的分子會進入到水分子中發生擴散現象．

碳素墨水與墨汁組成成分基本相似,雖然滴入水中水變為黑色,但它卻是“假冒”的擴散現象．因為碳素墨水滴入水中,這杯水就變成了懸濁液,懸濁液是固體小顆粒懸浮于液體里所形成的混合物叫做懸濁液,可以放在顯微鏡下用來觀察布朗運動．碳粒在水中運動,雖然碳粒較大但肉眼無法看出,但可以通過不透光來判斷出．

3.2 實驗設計中避免對流的影響

如圖4所示,是觀察硫酸銅溶液擴散現象的實驗．

圖4

在量筒里裝一半清水,用長頸漏斗將硫酸銅溶液注入量筒中清水的下面．因為硫酸銅溶液的密度比水的密度大,可以看到無色的清水與藍色硫酸銅之間明顯的界面．

經過足夠長時間,量筒中清水和硫酸銅溶液的明顯界面逐漸變得模糊,這個現象說明了液體的擴散現象．

如果把CuSO4溶液放在上面,由于 CuSO4溶液密度大,將因重力作用加速向下運動,則不能證明是由液體分子擴散引起的．

相比較,“墨水滴入水中發生擴散”的實驗設計還存在很多漏洞,擴散現象是一個漫長的過程.從這種意義上講,原實驗作為課堂的引入,嚴謹性值得推敲．

4 啟示

物理學是一門實驗的科學,物理概念的形成是建立在一定的實驗基礎上的．而實驗必須通過觀察和測量才能獲得結論．良好的觀察能力既是實驗能力的基礎,也是培養學生正確認識事物,積累知識的基本方法．物理實驗教學要十分重視培養學生的觀察能力．要指導他們學會正確的觀察方法,懂得觀察什么,怎樣觀察,觀察時應注意的問題和觀察后怎樣思考問題．更重要的是,這種潛移默化的過程,培養的是一種科學嚴瑾的態度．所以,實驗中出現的問題,不能輕易地放過,更不能用虛假的現象欺騙學生,只有這樣,才能在學習知識的同時真正提高學生的核心素養．

2017-03-30)