气体分子运动实验的创新设计

熊建新

肉眼不能直接观察到分子，但人们可以通过物体的一些宏观表现来推断构成物体的分子的情况。基于这种思想，设计了气体扩散实验、液体扩散实验。现将人教版教材上气体分子热运动的演示实验引述如下：

在装着红棕色二氧化氮气体的瓶子上面，倒扣1个空瓶子，使2个瓶口相对，之间用一块玻璃板隔开（图略）。抽掉玻璃板后，会发生什么变化？二氧化氮的密度比空气大，它能进到上面的瓶子里去吗？由实验可以看到，2个瓶子内的气体会混合在一起，最后颜色变得均匀。

该演示实验能充分表明气体分子在做无规则的运动。存在的问题是：①课前准备二氧化氮繁琐，对一般的物理老师来说不是一件容易的事。②实验过程中难免气体逸散，危害人体健康，污染环境。③现象不明显（后排学生观察不到）。④实验完后处理不便。因此，几乎没有物理老师做这个实验，一般是在黑板上图示讲解或者用PPT讲解或者是看视频。而演示液体扩散（分子运动）的实验需要很长时间，根本不可能在课堂上操作，只能给学生看看图片。在分子热运动的教学上，无法做一个演示实验是一大缺憾。为此，笔者利用物理实验室的碘粒设计了一个实验，演示效果非常好，现详述如下。

1实验器材

碘粒、大烧杯1 000 ml、圆底烧瓶500 ml、瓶盖（比烧瓶口略大）、小烧杯250 ml、大试管（30 mm×200 mm）、电工胶布或透明胶、稍硬的纸、生粉（玉米淀粉）、剪刀、铁架台、复夹2个、烧瓶夹2个、凉水、开水等。

2实验步骤及现象

2.1课前准备

（1）在大烧杯中倒入适量的开水（以圆底烧瓶放入后水不溢出为宜），在圆底烧瓶中放入10粒左右的碘粒，用瓶盖盖住瓶口，然后把圆底烧瓶放入大烧杯中。很快，烧瓶中充满了紫色的碘蒸气，见图1。倒出大烧杯中的热水，取出烧瓶放在大烧杯中，等它冷却至室温。

图1实验现象（2）把稍硬的纸折成锥状，锥直径比大试管内径略大。

（3）在小烧杯中加入少许生粉（玉米淀粉），再倒入适量的凉水，摇动小烧杯，使生粉全部溶解，得到像牛奶状的液体。把纸锥浸入，然后取出沥干，见图2。

图2实验方法（4）大试管口朝下，把沥干的纸锥放入大试管中上部，锥尖向下，然后把大试管夹在烧瓶夹上，见图3。

图3实验方法2.2课堂演示

（5）把烧瓶夹在烧瓶夹上，取下瓶盖，使两瓶口相对，然后用电工胶布把接缝处包起来，过2 min就看到锥状纸尖变成蓝色，见图4。

图4实验现象随着时间的延长，锥状纸尖变成蓝色的部分越来越大，越来越深，见图5、图6。

图5实验现象图6实验现象整个装置放置12天后的现象见图7。

图7实验现象3实验现象分析及结论

淀粉有遇碘变蓝的特性，大试管内的锥状纸尖变成蓝色，说明纸上原有的淀粉遇到了碘蒸气（单质碘），而烧瓶中处于室温的饱和碘蒸气的密度比空气大（饱和碘蒸气的密度估算如下，已知1 mol任何气体在标准状况下的体积是22.4 L，假设饱和碘蒸气在标准状况下，其体积是500 ml，即0.5 L，其物质的量是0.5/22.4 mol≈0.0223 mol；其质量是0.022 3×254 g≈5.6 g，已知碘的相对原子质量是126.9；其密度是5.6/0.5 g/L=11.3 g/L，远大于标准状况下空气的密度1.29 g/L），烧瓶中的碘蒸气运动到上面的大试管中，不是由于受热膨胀，也不是由于受到浮力，而是碘蒸气分子不停地做无规则运动的结果。

4创新实验设计的优点

实验器材容易得到，课前准备容易，实验中碘蒸气不会逸散，安全环保，实验时间短，现象明显，趣味性强，还可以取下大试管和烧瓶让后面的学生观察。通过这个实验，学生还复习了碘受热易升华的性质，加深了对淀粉遇碘变蓝的认识。