高中物理教材中布朗运动一节的修改建议

孙 慧

（天津师范大学 教师教育学院，天津 300387）

高中物理教材中布朗运动一节的修改建议

孙 慧

（天津师范大学 教师教育学院，天津 300387）

布朗运动间接的证明了分子的无规则运动，是高中物理热学部分的主要内容。一百年来物理学家不断的完善对布朗运动的研究。然而在现行的高中物理教材的编写上都存在一定的误区，本文指出教材中的误区，并提出修改建议，旨在明确提出布朗运动的实质是无规则的随机涨落。

布朗运动；无规则运动；教材

英国植物学家罗伯特·布朗在1828年和1829年的 《哲学》杂志上发表了两篇文章，描述自己在1827年夏天在显微镜下观察到花粉颗粒在液体中的不停顿的运动。我们将悬浮在液体中的小颗粒的不停的运动称为布朗运动，但布朗却没有给出合理的解释。其后的一百年间爱因斯坦、佩兰等物理学家从理论和实验的角度解释布朗运动的形成原因，间接的证明了分子的无规则运动。在高中物理中热学教学占有重要的地位，然而在现行的高中物理教材（普通高中课程标准实验教材 《物理 选修3—3》人民教育出版社，以下简称教材）中对布朗运动一节的编写中却存在一些欠妥的地方。本文将从布朗运动的实验、理论解释和研究的意义三个角度对教材的编写提出修改意见。

一、教材的表述

在教材的第六页有这样一段表述：“在显微镜下追踪一个小炭粒的运动，每隔30s把炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来，就得到类似图7.2-5（如图1所示)所示的微粒运动的位置连线。可以看出，微粒的运动是无规则的。”教材在第七页的说一说（图2）中明确指出“法国物理学家佩兰在1908年研究布朗运动是对三个运动微粒位置变化的真实记录。”

图1

图2

二、问题所在

这个地方教材的表述有些混乱。首先在第六页的实验中说要追踪一个小炭粒的运动，却得到一个类似的图，这句话有失严谨且又容易让人费解，到底图中所描述是追踪一个小炭粒三次观察的还是一次观察三个得到的图。虽然后面在教材的第7页中的说一说中指出：“法国物理学家佩兰在1908年研究布朗运动是对三个运动微粒位置变化的真实记录。”似乎回答了上面的问题，但又带来了更大问题。

首先从图1中我们明显的看出三个微粒有明显的各自运动的区域，这与布朗运动的无规则性相矛盾。其次布朗微粒的直径大小约为10-7m，在光学显微镜下会有衍射效应，这样视野中的微粒无法准确区分出三个微粒各自的差异，也就无法定义这三个微粒。就无法追踪确定的三个颗粒。再次这个实验图不是佩兰一人完成而是佩兰和他的学生共同完成的，学生极易认为佩兰只是绘制了一张记录图而已，期间科学家工作的艰辛没有表现出来。

1908年，佩兰开始研究布朗运动。佩兰最初使用普通的阿贝显微镜观察布朗运动，之后，他又利用超倍显微镜观察到了尺度更小的胶体粒子的布朗运动。佩兰在目镜的焦面上放一块不透明的箔片，用细针在箔片上扎一小孔，把视场限制在这个小孔里，再用肉眼经显微镜观察，这样就可以观察进入视野的微粒的运动。将观察的视野分为三个区域，每个区域内只出现一个微粒（这是可以做到的，根据爱因斯坦的理论可以计算出微粒运动的平均自有程，从而确定视野范围），他每隔30s用相机记录在每个区域内布朗微粒出现的位置，然后把时间相邻的点用直线连接，从而绘制了这张图。实际上这张图反应的是布朗微粒出现的概率，符合随机理论。

三、修改建议

（一）修改建议

从以上分析，教材中的插图给学生带来一定的误导，建议去掉图1，改用图3。注明：“在显微镜下追踪一个小炭粒的运动，每隔3s把炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来，就得到图所示的微粒运动的位置连线，图3所示。

图3

只给学生一个布朗微粒的位置连线简单明了，同时给出两个不同时间间隔的图像更能说明布朗运动的无规则性。

（二）修改“说一说”

从发现布朗运动到完整的建立布朗运动的解释，经历了近100年，期间大量的科学家对此付出了艰辛的努力。教材在第七页设置了“说一说”栏目旨在提高学生对布朗运动的认识，其原文如图4所示。这样过于笼统。建议将说一说的内容改为如下：

1905年爱因斯坦对布朗运动进行了深入的研究，发现布朗微粒的运动遵循统计规律，1908年法国物理学 家 （J.B.Perrin）佩兰和他的学生经过大量的实验观测，发现微粒的运动符合爱因斯坦等物理学家的理论分析。并且绘制了图4，图4是每隔30秒所记录下来的布朗粒子位置的连线。根据这个实验事实，你能不能否定布朗运动是由外界因素（例如振动，对流）引起的说法。

经过这样的修改肯定了爱因斯坦等人的工作，同时还布朗真实面貌：无规则的随机涨落。同时也增进师生间的感情，鼓励学生的研究精神。还可以通过与图3的比较看到布朗运动的自相似性，激发学生以后学习物理知识的兴趣。

图4

四、增加“科学漫步”

热学这一部分相对较难，学生不易理解。虽然在教材编写时，删减了很多繁难内容，但这一部分却连接了微观与宏观，培养了学生的科学素养。所以在本节的结束增加科学漫步这一栏目，体现布朗运动的意义，将枯燥的物理知识与现代生活联系在一起，以增加学生学习物理的兴趣。具体内容如下：

布朗运动这种无规则的随机涨落现象在自然界中大量存在，现在对布朗运动的应用也非常广泛，在工程技术中与通信、地理、生物、金融学等学科相结合。例如1900年，法国数学家巴施利埃就发表了论文《投机理论》，是一篇研究股市的论文，其中把股市价格的无规则变动作为布朗运动来处理。他认为对股价变动来说，我们根据它现在的价格，并不能确切知道它下一时刻的价格，而只知道下一时刻价格的概率分布。这种“股票价格的相对变动是布朗运动”的基本假设，奠定了金融数学的基础，巴施利埃的这篇长达60多页的论文，后来就成为金融数学的开创性论文。上个世纪，一位植物学家在显微镜下发现的花粉微粒的布朗运动竟然与现代金融最新的期权定价理论有了紧密的联系，可见物理学的理论和思维对于文科（尤其是金融、经济专业）学生来讲是多么重要。这样一种日常所见的布朗运动，竟有四位荣获诺贝尔奖的科学家（爱因斯坦、佩兰、莫顿、斯科尔斯）来研究它，这恐怕是布朗先生始料未及的。

[1]赵凯华.新概念物理教程——热学[M].北京：高等教育出版社.

[2]郝柏林.布朗运动理论一百年[J].物理,2011,(1)

[3]蒋长荣,王骁勇,刘树勇.爱因斯坦与布朗运动[J].首都师范大学学报,2005,(3)

[4]张大昌.普通高中课程标准实验物理教材介绍[M].北京:人民教育出版社

[5]秦允豪.普通物理学教程——热学[M].北京:高等教育出版社.

[6]戈明亮.混沌及高聚物的混沌运动[J].高分子材料科学与工程,2004,(3)

[7]王媛媛.让·佩兰在19-20世纪之交对物理学发展的重要贡献[Z].

http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10028-2005073655.htm

O119

A

2095-3763（2012）02-0060-02

2012-02-15

孙慧（1978-），女，蒙古族，河北承德人，河北承德第一中学在职教育硕士。