“布朗运动”实验改进

(上海市南洋中学，上海 200032)

1 沪科版教材中的“布朗运动”实验

在沪科版教材高一第六章“分子和气体定律”A节“分子阿伏伽德罗常数”中，关于“布朗运动”实验，只是提供了如图1所示的图片。在实际教学中，教师若只依据图片讲解，根本无法达到教学目的，有些老师会借助动画模拟，这样仅限于学生能理解布朗运动及其产生原因。在当前注重培养学生学科核心素养的大前提下，我们要重视让学生形成正确的物质观，通过观测和逻辑推理，培养学生的科学思维以及科学态度与责任，注重揭示微观与宏观之间的联系。笔者基于此原因，对实验进行了改进。

图1

2 改进后的“布朗运动”实验

2.1 实验器材

水粉颜料、生物显微镜、电子目镜、Tracker软件。

2.2 实验过程

如图2所示，在水彩颜料里加一些水稀释，然后滴一点到载玻片上，再用盖玻片拉成薄层，然后放在显微镜下，通过电子目镜观察。

图2

与借助动画模拟或看图片相比较，本实验装置更能让学生知道什么是布朗运动及其产生原因，通过布朗运动实验理解分子做永不停息的无规则的热运动。基于已经选好的仪器，针对几个问题进行实验操作，并进行逻辑推理。

(1) 布朗运动的研究对象

通过电子目镜观察能看到有东西在动。利用物镜尺找到布朗运动中观察微粒运动的放大倍数，即将最小间隔为0.01mm的物镜尺放在同一显微镜下以及投影设备下观察，得到清晰的像，然后用实际的尺去测量最小间隔的读数，用这个读数除以最小间隔，就得到放大倍数约为8000倍。直接用眼睛看不到任何运动，所以观察到的不是一个常规物体的运动；从课本上提供的数据，我们知道，只有放大五千万倍才能看到分子的运动，所以看到的不是水分子的运动，也不是固体分子的运动；由此可知，我们观察到的是水粉颜料中固体颗粒的运动。

(2) 用Tracker追踪研究对象的运动情况

图3

利用Tracker软件可以追踪到经多个相同时间间隔颗粒所在的位置。打开布朗运动的一个视频，创建一个颗粒作为追踪对象，选择自动追踪，确定要追踪的对象，将图像放大，不然你会感觉微粒在很小的范围运动，我们逐帧追踪，只要追踪没有错误，右下角显示绿色，选择显示所有追踪的位置，通过滤镜添加透视，这时观察起来有点困难。将这些位置进行连线，连线毫无规则，两个位置的连线并不是固体颗粒的实际运动轨迹，我们唯一能确定的是颗粒一定在两个位置即起点和终点出现过，这之间怎么运动并不清楚，但根据连线的无规则性可以推测，这个固体颗粒作无规则的运动。我们只是追踪了一个颗粒，为了证明结果并非偶然性，又追踪了多个颗粒。图3为随机追踪5个颗粒经相等时间间隔的位置，然后将这些位置连接后形成图形，从中可发现：每一个颗粒的位置连线都没有规律，我们无法预测某个颗粒下一时刻会怎么动，因此固体颗粒做无规则运动。实验结论：布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动。

(3) 固体颗粒无规则运动的原因

固体颗粒也是宏观世界中的物体，要找到运动状态改变的原因，我们首先要对物体进行受力分析。可知：水分子对固体颗粒的撞击是固体颗粒运动状态变化的原因。固体颗粒作无规则运动说明水分子对固体颗粒的撞击无规则，通过观测与逻辑推理，得出水分子做无规则的运动。

(4) 关于布朗运动的结论

布朗运动不是固体分子的运动，也不是液体分子的运动，而是悬浮在液体中的固体颗粒的运动，它的无规则运动反映了液体分子的无规则运动。

3 改进后实验的优点

这一节课的研究方法与力学有所不同，对学生来说，难以理解大量分子运动的统计规律，因此要循序渐进，通过对宏观物理量的研究来间接研究微观物理量，分子运动论的三个内容要利用实验，帮助学生初步建立起科学的物质观。有助于学生从分子的层面上来理解后面气体的压强、温度和体积的关系。

笔者首先通过布朗运动的实验，让学生观察宏观的物理现象，然后利用物镜尺，找到放大倍数，突破教学难点：布朗运动是固体颗粒的运动。接着借助Tracker软件追踪，突破教学难点：固体颗粒作无规则运动。最后通过受力分析突破教学难点：布朗运动是液体分子对悬浮在液体中的固体颗粒的撞击而产生的。

通过实验改进，使学生更容易理解布朗运动及其产生原因，有助于学生建立正确的物质观，同时在教学过程中也关注了学生科学思维和科学探究能力的培养。