“问题引领”下的高中物理实验教学——以“油膜法测分子直径”为例

北京师范大学燕化附属中学(102500) 杨慧芳 雷正环

1 教材分析

本实验是高中物理教学大纲的选修内容,除了具有一定的操作技巧外,让学生用宏观手段测量微观物理量的方法,组织学生交流讨论,培养学生的创新意识、探究能力等方面,均具有较大的拓展空间。

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1)了解测分子大小的方法。

(2)理解用油膜法估测分子大小的原理。

(3)通过实验测出分子的大小。

2.2 过程与方法

(1)引导学生回忆测量物品大小的方法。

(2)通过建立模型,使学生能够直观地理解实验原理。

(3)引导学生带着问题进行合理的实验设计,并且自己动手完成实验。

2.3 情感态度与价值观

(1)激发学生学习兴趣,培养学生的总结概括能力。

(2)以日常生活中的实例入手,培养学生“生活是科学之源泉”的情感。

(3)通过探究实验,培养学生的判断能力、探究能力、数据处理能力。

3 教学重点与难点

重点：用宏观测量手段来测量油膜分子的大小这一微观物理量。

难点：①实验原理的理解；②实验中的物理量如何测量。

4 学情分析

知识基础：用“累积法”测量尺寸较小物品的长度或直径。

能力起点：具备一定的逻辑推理能力。

直观经验：生活中很难用肉眼直接看到微观的事物。

心理特点：微观世界很难想象,由宏观过渡到微观,存在一定难度。

5 教学设计理念

针对学生感知分子的大小和用宏观的方法测量微观物理量这两个难点,以生活中常见的小米粒作为分子模型,先以问题引领的方式探究测量小米粒直径的方法,进而类比到测量分子的直径。让学生一步步自己设计实验,充分让学生参与学习探究活动中来,让每个学生都有自己的体验和理解,获得不同的收获。

6 实验器材

试剂瓶中装有10mL刚配置好的油酸酒精溶液(体积比1∶400)、装有清水的塑料盒(实验配置盒)、玻璃盖板1块(略大于塑料盒)、坐标纸1张(方格边长1cm)、5mL一次性注射器、痱子粉(装入一次性纸杯中,在杯口覆盖双层医用纱布,再用橡皮筋在纸杯口扎住)、玻璃杯、彩笔。

7 教学设备

视频展示台、多媒体投影。

8 教学程序与构想

教学设计的流程图如图1所示。

图1 教学设计流程图

8.1 图片导入,激发兴趣

出示一张人的图片,选择人胳膊上皮肤的一点逐渐放大,分别出示放大10倍、100倍、1000倍的图片。

教师：大家看到,当皮肤放大至1000倍时,就可以看到由很多细胞组成的团簇,那么细胞又是由什么组成的呢?

学生：细胞是由蛋白质、核酸和水构成的。

教师：这些蛋白质、核酸和水都是分子,那么一个细胞中有多少个分子呢?

学生：……

教师：一个细胞中的分子总数相当于银河系星星总量的一万倍甚至更多。通过以上数据你对分子的大小有什么认识?

学生思考后回答：分子非常小。

以上引入让学生对微观分子的大小有一个具体的感知。

8.2 探究测量小米粒直径的方法

教师进一步引导：可以用实验室的仪器直接测量分子的大小吗?

学生不假思索答道：不可以。

教师：给出实物小米粒,问学生如何测量一粒小米粒的直径?请同学们分组讨论后给出结果。

方案一：直接用刻度尺测量1粒小米的直径,如图2所示。

图2 测量1粒小米粒的直径

方案二：用刻度尺测量一排小米粒的长度,然后数出小米的个数,最后利用来计算1粒小米粒的直径,如图3所示。

图3 测量一排小米的直径

方案三：用量筒测量一定量的小米粒,数出小米粒的个数,把小米粒近似看成球形,利用V1粒＝计算出1粒小米的直径。

但是,这3种方案的误差都比较大。接下来教师进一步引导,提出方案4涉及的几个问题。

(1)5个粗细不同的量筒中分别装50mL的小米粒,它们的高度有什么关系?

(2)如果量筒的横截面积可以变为足够大,小米粒的高度最终会变成怎样?

(3)若把这一薄层小米粒恰好一粒紧挨一粒的排列,形成的面积为S,你怎样估算小米粒的直径?

学生分组讨论,最后得出结论：1粒小米粒的直径可以根据计算得出。

8.3 如何测量油酸分子直径

教师：按照测量小米粒直径的方法,你能不能想出测分子直径的方法?什么物质的分子可以平铺到足够薄,薄到像小米粒一样只有一层?

然后由教师介绍油酸分子的特性——大分子、亲水性。为了演示油酸分子的亲水性,可在黑板上用圆形吸铁石演示,如图4所示。

图4 油酸分子的亲水性

教师演示：一滴油酸滴到水中。

学生观察实验现象：看不清轮廓(实验探究,初遇障碍)。

分组讨论,提出实验方案。

(1)先将水染色,再滴油。

(2)利用光在水和油中传播速度不同,用光照方法区分水与油。

(3)在水面上撒痱子粉,再将油滴到痱子粉上。

(4)在水面上撒头发的碎屑,再将油滴到碎屑中。

教师首先肯定学生的想法,然后再提示在实验室采用的实验方法是在水中加入痱子粉。

教师演示：把痱子粉均匀洒入水中,滴入一滴纯油酸。

现象：发现一部分油酸分子到达容器壁边缘(让学生分析原因)。

学生讨论后回答：油酸分子太多,应该稀释。

教师告诉学生：实验室一般采用浓度为1∶1000的油酸酒精溶液。

油膜的面积S,一般是不规则的,那应该怎么办呢?学生经过思考,分组讨论得出以下2种方案。

(1)在塑料盘上加一个透明的盖子,用彩笔画出油膜轮廓边界,再利用坐标网格计算油膜面积。

(2)用照相机把带有油膜容器拍摄下来,再利用照片与实物的比例,计算油膜面积。

教师点评方案,明确应该选方案(1)并提醒待油膜稳定后再描出油膜轮廓边界,数格子时,不足半格的应舍去,超过半格的算一格。

让学生总结实验步骤：①数滴；②洒粉；③形成油膜；④数格算面积；⑤通过计算分子直径。

在实验前提醒学生实验中的注意事项：①整个过程请保持安静,防止水面晃动影响油膜面积；②滴溶液时应距离水面约2cm；③画油膜轮廓时视线应与水面垂直,以减少误差；④痱子粉不应太薄。

8.4 分组实验

接下来由学生操作实验,并进行数据处理,完成表2,教师巡视指导。

总结时淡化对实验数据准确性的评价,突出对学生操作和数据处理方法与过程的评价。

表2 实验数据

8.5 反思感悟

总结本实验的主要内容,用宏观方法间接测量微观物理量分子的直径,建立模型法、间接测量法、累积放大法、估算法的概念。

8.6 课外拓展

扫描隧道显微镜可以直接测量分子的大小,让学生课外查阅相关资料了解其原理。

9 教学反思

本实验以问题引领为主导,分别对实验进行设计并讨论相关物理量如何测量,最后解决问题。充分体现了 “以学生为主体”的新课程理念,“以学生发展为中心”的教学思想,提升了学生的学习能力。