用數碼顯微鏡觀察布朗運動*

唐素珍

(石獅市第一中學 福建 泉州 362700)

1 發現問題

“布朗運動”實驗是高中階段的重點實驗．實驗要求通過對布朗運動進行觀察、記錄，同時分析布朗運動的原因，得出結論：布朗運動不是分子運動，但它又間接反映液體分子無規則運動．這部分內容是“分子動理論”的重要組成部分，在整個高中《物理·選修3-3》知識體系中占據著重要的地位，是整個熱學的基礎．因此讓學生觀察到布朗運動的現象就顯得尤為重要．教材在這部分利用的是如圖1所示的普通光學顯微鏡觀察布朗運動．實際教學中如果用光學顯微鏡對布朗運動進行觀察，不但操作復雜而且學生不能同時觀察，教師也不能實時分析講解．

圖1 普通光學顯微鏡下的布朗運動

為解決上述問題，筆者對這個實驗做了一些改進.

2 改進后的實驗

2.1 實驗器材

碳素墨水，純凈水，數碼顯微鏡，Tracker軟件.

2.2 實驗過程

(1)懸濁液的制備

用膠頭滴管往50 mL的純凈水中滴入一滴碳素墨水，用玻璃棒攪拌均勻．

(2)載玻片的選擇與制作

1)載玻片的選擇: 載玻片選擇生物實驗室的血細胞計數板(因為血細胞計數板上刻有格子，可以作為小顆粒的運動對照，這樣小顆粒的運動看得更明顯)．

2)載玻片的制作：用膠頭滴管吸取一滴懸濁液滴在載玻片的凹槽內，蓋上蓋玻片(注意不要留有氣泡)．

(3)實驗裝置的使用

將制作好的載玻片置于數碼顯微鏡的載物臺上．將數碼顯微鏡與電腦連接，并打開電腦軟件的數據采集窗口(DC6000X中的 ScopeImage 9.0)，放大到全屏，顯微鏡選用放大400倍效果較好．這樣就可以讓全體學生共同觀察到小顆粒在不停地運動了．

(4)對布朗運動研究對象的分析

實驗時視野中可以觀察到黑色固體小顆粒在不停地做無規則的運動．顯微鏡下觀察到的黑色小顆粒的尺寸大約是1 mm，我們選擇顯微鏡的放大倍數為400倍，由此就可以估算出運動著的固體小顆粒的大小約為10-6m的數量級，對比分子的數量級為10-10m，所以我們看到的黑色小顆粒的運動不是水分子的運動，也不是固體分子的運動；而是懸浮在水中的小碳粒的運動．

(5)利用Tracker軟件追蹤幾個不同的小碳粒的運動情況

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．用軟件打開一個布朗運動的視頻，建立坐標軸和定標桿，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，逐幀追蹤，這樣就可確定經相同時間間隔顆粒所在的位置．選擇畫圖，確定橫縱坐標分別為x和y，這樣就可以在軟件中畫出追蹤對象在不同時刻的位置圖，如圖2所示．將這些位置連線，可以發現連線毫無規則．根據連線的無規則性，我們可以推知布朗顆粒在做無規則的運動．

圖2 小碳粒A的不同時刻的位置圖

為了證明實驗結果并不是偶然的，我們可以多追蹤幾個顆粒．圖2、圖3、圖4為隨機追蹤3個顆粒的位置圖．從中我們可以發現：每個粒子的位置連線都沒有規律，是無規則的．因此固體顆粒在不停地做無規則的運動．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.

圖3 小碳粒B的不同時刻的位置圖

圖4 小碳粒C的不同時刻的位置圖

(6)解釋布朗運動產生的原因

固體顆粒也是宏觀世界中的物體，要找到物體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．固體顆粒做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．

(7)觀察布朗運動發現小顆粒的布朗運動要比大顆粒的運動明顯，解釋原理

懸浮在液體中的固體小顆粒不斷地受到液體分子的撞擊，固體小顆粒越小，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數越少，撞擊作用的不平衡性就表現得越明顯．如果懸浮在液體中的固體小顆粒很大，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數很多，各個方向的撞擊作用接近平衡，這時就很難觀察到布朗運動了．

(8)實驗：溫度越高，布朗運動越劇烈

利用數碼顯微鏡的錄像功能，現場錄制10 s左右的常溫下布朗運動現象，在屏幕左邊播放，同時在屏幕右邊打開數據采集窗口．用酒精燈對懸濁液進行加熱，對比觀察加熱前后布朗運動劇烈程度的變化．

綜合以上的分析，可見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小顆粒的運動，它的無規則運動反映了液體分子的無規則運動．而且溫度越高布朗運動越劇烈．懸浮顆粒越小，布朗運動越明顯．

3 實驗效果評價

(1)實驗時將數碼顯微鏡連接電腦并投影，全班學生可以很清楚地觀察到實驗現象，這就使得實驗由學生單個觀察轉換為學生在課堂上實時共同觀察，并且使得課堂上教師進行實時分析講解成為可能，這不僅使實驗更加直觀化、普及化，而且極大地激發了學生的學習興趣，提高了課堂效率，增強了課堂教學效果.

(2)對布朗運動的研究對象的分析，讓學生突破難點，認識到：布朗運動不是固體分子的運動，也不是液體分子的運動，而是固體小碳粒的運動，它間接反映液體分子無規則運動的特點.

(3)利用Tracker軟件追蹤小碳粒的運動情況，可以很直觀地說明小碳粒在做無規則的運動．

通過實驗改進，使學生能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．