观察到的是“扩散”现象吗?

倪红飞

(江苏省太仓市教师发展中心，江苏 太仓 215400)

观察到的是“扩散”现象吗?

倪红飞

(江苏省太仓市教师发展中心，江苏 太仓 215400)

在“分子热运动”这一课教学中,很多教师都用观察“墨水滴入水中发生扩散”实验作为新课引入．

桌子上有一个烧杯,烧杯中盛有一定体积的水,旁边有一个装有墨水的滴管,将滴管中一滴墨水滴入到烧杯中,观察过一段时间后,观察到整杯水都变红了.这种现象说明分子在做永不停息的无规则运动,物理学中把这种现象叫做扩散现象．

为了进一步说明扩散快慢与温度有关，再把墨水滴入一杯冷水和一杯热水中,看到热水中颜色变均匀地较快,说明热水中分子扩散的更快．

表面上看,这个设计没有问题．但是,当仔细观察实验现象时,就会发现,问题远比想象的复杂．在听课过程中,笔者不禁产生了这样的疑问:学生观察到的是墨水滴在水中发生的扩散现象吗?

1 实验观察到的现象及现象背后的含义

如图1，当墨水滴入到烧杯中,最先观察到墨水滴在烧杯中成絮状下沉,同时边界慢慢扩大;如图2,墨水滴在烧杯中的絮状向四面八方运动扩展,边界处慢慢模糊;如图3,墨水的絮状几乎充满烧杯,足够长时间后,整杯水都均匀地被染成了红色．

图1

图2

图3

显然,在这个过程中,从图1到图2的状态,从图2到图3的最初状态,发生的主要物理现象应该是液体的对流,由于墨水的密度大于水的密度,所以,墨水滴入到烧杯的初期,最先观察到墨水滴在烧杯中成絮状下沉,又由于温度的差异,加速了这种对流,当然,同时也伴随着扩散现象的产生;当进入图3的状态,液体的对流慢慢变缓慢,在接下来较长的时间,分子的扩散使整杯水均匀的变成了红色．

所以,这个物理过程,同时发生着两种物理现象.让学生如何观察、观察什么?是十分重要的东西,需要教师提醒学生的．否则,实验起到了相反的作用．

2 容易混淆的3种物理现象

在“分子热运动”这一课教学中,有3种容易混淆的物理现象．一不小心,教师也会犯错．

第一种是对流．对流是液体(或气体)整体的运动,凡是肉眼直接能观察到的,都与对流有关．冬天飞舞的雪花,空气中舞动的尘埃,墨水滴在烧杯中的扩展,都是由流体整体运动决定的．

第二种是布朗运动．布朗运动是悬浮在液体中的颗粒,在液体分子的撞击下,做的无规则运动．布朗运动的主体是悬浮在液体中的颗粒,尽管颗粒肉眼观察不到,但颗粒与分子比较,仍属于宏观粒子,所以,可用显微镜进行观察．

第三种是分子扩散运动．运动的主体是分子,由于分子极小,所以,分子运动是一种“看不见的运动”．因此,分子扩散运动是不能直接观察的．所谓“观察分子扩散运动”,其实,并没有看到真实的运动,是比较前后两个状态的区别,间接地推测出分子的扩散运动．

3 “液体中扩散现象”实验的注意点

3.1 不同种类的墨水的使用

这方面,有人做过专门的研究．

例如,准备了4种常用的墨水:红墨水、纯蓝墨水、碳素墨水和墨汁．

哪些种类的墨水,可以用来观察“墨水滴入水中发生扩散”?

简单地说,滴入水中后最后能形成透明的溶液的墨水,可以用作实验．

红墨水滴在水中后,一会儿这杯水就会变成红色透明的溶液,刚滴时的红色絮状物也逐渐溶解在水中．这是因为通常制造红墨水的有机染料有墨水红、一品红、酸性大红G,这些染料都是不稳定的,因此它们滴到水中以分子的形式进入到水分子的间隙中做无规则运动．也就是扩散所说的“你中有我,我中有你”．所以红墨水滴在水中发生扩散现象．

纯蓝墨水滴在水中,最后整杯水会变成接近紫色透明的溶液．因为纯蓝墨水的主要原料为可溶性的蓝色染料,加阿拉伯胶及防腐剂制成．可溶性的蓝色染料遇水后会褪色,所以最后看到的颜色接近于紫色．通过查阅资料,笔者发现组成纯蓝墨水的成分都是可溶于水的,所以纯蓝墨水滴在水中,它的分子会进入到水分子中发生扩散现象．

碳素墨水与墨汁组成成分基本相似,虽然滴入水中水变为黑色,但它却是“假冒”的扩散现象．因为碳素墨水滴入水中,这杯水就变成了悬浊液,悬浊液是固体小颗粒悬浮于液体里所形成的混合物叫做悬浊液,可以放在显微镜下用来观察布朗运动．碳粒在水中运动,虽然碳粒较大但肉眼无法看出,但可以通过不透光来判断出．

3.2 实验设计中避免对流的影响

如图4所示,是观察硫酸铜溶液扩散现象的实验．

图4

在量筒里装一半清水,用长颈漏斗将硫酸铜溶液注入量筒中清水的下面．因为硫酸铜溶液的密度比水的密度大,可以看到无色的清水与蓝色硫酸铜之间明显的界面．

经过足够长时间,量筒中清水和硫酸铜溶液的明显界面逐渐变得模糊,这个现象说明了液体的扩散现象．

如果把CuSO4溶液放在上面,由于 CuSO4溶液密度大,将因重力作用加速向下运动,则不能证明是由液体分子扩散引起的．

相比较,“墨水滴入水中发生扩散”的实验设计还存在很多漏洞,扩散现象是一个漫长的过程.从这种意义上讲,原实验作为课堂的引入,严谨性值得推敲．

4 启示

物理学是一门实验的科学,物理概念的形成是建立在一定的实验基础上的．而实验必须通过观察和测量才能获得结论．良好的观察能力既是实验能力的基础,也是培养学生正确认识事物,积累知识的基本方法．物理实验教学要十分重视培养学生的观察能力．要指导他们学会正确的观察方法,懂得观察什么,怎样观察,观察时应注意的问题和观察后怎样思考问题．更重要的是,这种潜移默化的过程,培养的是一种科学严瑾的态度．所以,实验中出现的问题,不能轻易地放过,更不能用虚假的现象欺骗学生,只有这样,才能在学习知识的同时真正提高学生的核心素养．

2017-03-30)