“布朗運動”實驗改進

(上海市南洋中學，上海 200032)

1 滬科版教材中的“布朗運動”實驗

在滬科版教材高一第六章“分子和氣體定律”A節“分子阿伏伽德羅常數”中，關于“布朗運動”實驗，只是提供了如圖1所示的圖片。在實際教學中，教師若只依據圖片講解，根本無法達到教學目的，有些老師會借助動畫模擬，這樣僅限于學生能理解布朗運動及其產生原因。在當前注重培養學生學科核心素養的大前提下，我們要重視讓學生形成正確的物質觀，通過觀測和邏輯推理，培養學生的科學思維以及科學態度與責任，注重揭示微觀與宏觀之間的聯系。筆者基于此原因，對實驗進行了改進。

圖1

2 改進后的“布朗運動”實驗

2.1 實驗器材

水粉顏料、生物顯微鏡、電子目鏡、Tracker軟件。

2.2 實驗過程

如圖2所示，在水彩顏料里加一些水稀釋，然后滴一點到載玻片上，再用蓋玻片拉成薄層，然后放在顯微鏡下，通過電子目鏡觀察。

圖2

與借助動畫模擬或看圖片相比較，本實驗裝置更能讓學生知道什么是布朗運動及其產生原因，通過布朗運動實驗理解分子做永不停息的無規則的熱運動。基于已經選好的儀器，針對幾個問題進行實驗操作，并進行邏輯推理。

(1) 布朗運動的研究對象

通過電子目鏡觀察能看到有東西在動。利用物鏡尺找到布朗運動中觀察微粒運動的放大倍數，即將最小間隔為0.01mm的物鏡尺放在同一顯微鏡下以及投影設備下觀察，得到清晰的像，然后用實際的尺去測量最小間隔的讀數，用這個讀數除以最小間隔，就得到放大倍數約為8000倍。直接用眼睛看不到任何運動，所以觀察到的不是一個常規物體的運動；從課本上提供的數據，我們知道，只有放大五千萬倍才能看到分子的運動，所以看到的不是水分子的運動，也不是固體分子的運動；由此可知，我們觀察到的是水粉顏料中固體顆粒的運動。

(2) 用Tracker追蹤研究對象的運動情況

圖3

利用Tracker軟件可以追蹤到經多個相同時間間隔顆粒所在的位置。打開布朗運動的一個視頻，創建一個顆粒作為追蹤對象，選擇自動追蹤，確定要追蹤的對象，將圖像放大，不然你會感覺微粒在很小的范圍運動，我們逐幀追蹤，只要追蹤沒有錯誤，右下角顯示綠色，選擇顯示所有追蹤的位置，通過濾鏡添加透視，這時觀察起來有點困難。將這些位置進行連線，連線毫無規則，兩個位置的連線并不是固體顆粒的實際運動軌跡，我們唯一能確定的是顆粒一定在兩個位置即起點和終點出現過，這之間怎么運動并不清楚，但根據連線的無規則性可以推測，這個固體顆粒作無規則的運動。我們只是追蹤了一個顆粒，為了證明結果并非偶然性，又追蹤了多個顆粒。圖3為隨機追蹤5個顆粒經相等時間間隔的位置，然后將這些位置連接后形成圖形，從中可發現：每一個顆粒的位置連線都沒有規律，我們無法預測某個顆粒下一時刻會怎么動，因此固體顆粒做無規則運動。實驗結論：布朗運動是懸浮在液體中的固體顆粒的無規則運動。

(3) 固體顆粒無規則運動的原因

固體顆粒也是宏觀世界中的物體，要找到運動狀態改變的原因，我們首先要對物體進行受力分析。可知：水分子對固體顆粒的撞擊是固體顆粒運動狀態變化的原因。固體顆粒作無規則運動說明水分子對固體顆粒的撞擊無規則，通過觀測與邏輯推理，得出水分子做無規則的運動。

(4) 關于布朗運動的結論

布朗運動不是固體分子的運動，也不是液體分子的運動，而是懸浮在液體中的固體顆粒的運動，它的無規則運動反映了液體分子的無規則運動。

3 改進后實驗的優點

這一節課的研究方法與力學有所不同，對學生來說，難以理解大量分子運動的統計規律，因此要循序漸進，通過對宏觀物理量的研究來間接研究微觀物理量，分子運動論的三個內容要利用實驗，幫助學生初步建立起科學的物質觀。有助于學生從分子的層面上來理解后面氣體的壓強、溫度和體積的關系。

筆者首先通過布朗運動的實驗，讓學生觀察宏觀的物理現象，然后利用物鏡尺，找到放大倍數，突破教學難點：布朗運動是固體顆粒的運動。接著借助Tracker軟件追蹤，突破教學難點：固體顆粒作無規則運動。最后通過受力分析突破教學難點：布朗運動是液體分子對懸浮在液體中的固體顆粒的撞擊而產生的。

通過實驗改進，使學生更容易理解布朗運動及其產生原因，有助于學生建立正確的物質觀，同時在教學過程中也關注了學生科學思維和科學探究能力的培養。