“用油膜法测分子直径”演示实验教学设计与创新

(江苏省镇江中学，江苏 镇江 212017)

“油膜法测分子直径”实验教学的关键是如何将演示效果达到最佳.实际教学中我们常常碰到一些问题，例如：有机玻璃板上网格不够清晰，尤其是长期多次使用以后，还会留有水笔划过的痕迹，多次擦洗后也会留下模糊的痕迹.这使得我们在做实验的时候不易看清板下油酸推开痱子粉的边界,也不方便画出边界.又如，油酸推开痱子粉时一直处于动态过程，描边界时边界还同时在变化，描出来的边界也不够准确.

针对以上问题，笔者在油膜法实验装置和处理方法上进行了改进创新，能够让学生在座位上看的很清楚，大大增强演示效果.之前教师演示该实验的时候都是使用实物展台，清晰度不高，盖上玻璃盖板后更加无法看清油膜边界.在这个实验中采用高清摄像头，再加上镂空网格，对实验现象的清晰呈现起了很好的作用.同时实验处理数据也在预计的误差范围内，所有的实验油酸分子直径算出来都在10-10m～10-9m之间，而公认的油酸分子直径为1.12×10-9m，能很好地说明实验原理，同时也能较好地解释实验误差.

1 实验教学设计思路

本节课的重难点之一是要教会学生利用宏观量求微观量的方法，尤其是需要求出分子的直径，因此要通过先从宏观小颗粒引入，才能让学生有更深刻的印象.本节课是以测绿豆直径方法向测分子直径过渡的，衔接比较自然.用以下问题引入顺理成章：如何用油膜法估算分子直径？用什么材料做实验？为什么要用稀释的溶液做实验？如何配置溶液？如何看清油膜边界？

学生接受知识有个梯度，很多时候不能一步到位，因此首先设计了小球模拟分子实验，让学生充分理解为何选用油酸的酒精溶液做实验，在真实做油膜实验时再解决剩下的问题，同时为了增强演示效果，对实验器材进行了改进.

因为分子尺寸非常小，无法用肉眼直接观察，所以学生并没有太多的直观经验，因此在实验教学中设计体验的过程，让学生有更直接的“分子之小，分子之多”的体会，也能同时明白阿伏伽德罗常数的意义.

2 实验教学创新做法

(1)建立“分子球体模型”

在演示该实验之前需要让学生明白分子球体模型.建立球体模型的概念需要以事实说话.因此在引入的时候要有一些扫描的照片作为支撑.

人们长久以来一直没有停下对微观世界的探索，目前已经能用比较先进的仪器来探究微观世界.例如扫描隧道显微镜(如图1)，原子粒显微镜、离子显微镜等.扫描隧道显微镜不仅可以观察物体表面原子，还可以进行操作，把原子进行重新排列，图2展示了石墨层面上的碳原子.通过对扫描隧道显微镜的简单了解，和对扫描照片的观察，学生很容易建立分子球体模型的概念.

图1

图2

(2)由宏观量测微观量方法的引入

原子接近于一个个小球体，如果我们把分子看成是一个球体的话，在不使用先进仪器的情况下，我们该如何去估测这么小的“球体”的大小呢？

智慧小故事给我们的启发：古代“曹冲称象”的故事采取了“化整为零”的方法，那么要测微小颗粒的尺寸的方法是“聚零为整”.用对比的方法引入，容易想到“聚零为整”的积累法.

思考：如果没有游标卡尺，用积累法如何去测绿豆的直径？

学生会提出很多类似的方案，总结如下：

图3

图4

图5

(3)油膜法的引入

提问1：分子大小的测量是否可以采用以上方法？

答：前两种方案不可行，因为分子数目非常庞大,只有最后一种可以实施.

提问2：选什么样的物质来做实验？

答：用液体更易实现.

液体滴在哪里才能实现单层铺开？

答：在液面上.

思考1：油酸是无色透明的，如何看清铺开的边界.

思考2：即使能看清边界，又如何记录铺开的面积呢？

演示：无网格做一次实验，滴入一滴油酸溶液，让学生看油酸推开痱子粉的效果.

提问：如何测出油酸铺开的面积呢？

图6

演示：放上网格，再做实验，同时介绍拍照记下边界的方法，请同学帮忙一起操作.用摄像头让学生观察实验，同时借助于类似于QQ视频的聊天软件拍下多张连续的照片.给学生看拍下的照片，并且选择一张效果较好的来处理数据.对照电脑上的照片，一起数格子，得出数据(如图6).

已知网孔边长2.00cm，一滴溶液中含有纯油酸4.0×10-5ml，数出格子数量为104格，通过运算得知算出的油酸分子直径为9.6×10-10m.

(4)演示器材的创新

图7

笔者在该实验中制作了一个和浅盘尺寸配套的边框，在这个边框上均匀的打上小孔，穿上橡皮筋做成网格(如图7).实验时可以把边框放在浅盘上，不用的时候也可以方便的拿开，这样清洗浅盘的时候就会很方便，也能洗的很干净.孔间距在2cm比较合适，视觉效果好，便于观察.但是对于这样的处理方法还带来一个较大的问题，那就是没有办法像在玻璃隔板上那样用笔描画边界.

为了解决这个问题，演示实验的时候笔者在浅盘上方用铁架台架设一个摄像头，学生可以通过投影屏幕看到摄像头下的实验操作.同时可以利用类似于QQ视频聊天的软件工具拍下照片.油酸滴入水中后迅速铺开，在这时候可快速拍下多张连续的照片，然后选取效果较好的一张照片立刻在电脑上显示出来(如图8).在这张照片上记录了网格也记录了边界，之后对着电脑直接数格子也好，用纸打印出来数格子也好，都比较方便且准确,效果非常好.

图8

这节课中的设计从宏观到微观层层铺垫，配合实验演示，让学生能更好的体验实验设计过程，大大增强了学生认识微观世界的好奇心和信心.