改进演示布朗运动的一种方法

摘要：本文针对演示布朗运动的一般方法进行研究，阐明了布朗运动的原理及其地位，分析目前中学教学中演示这一实验的难点，叙述了改进原因、方向及具体方法。分别介绍了在初中课本实验中利用香烟烟气与空气扩散法来演示扩散现象，对改进的方法作了评价。通过改进演示布朗运动实验，降低了实验的操作难度，体现物理演示实验教学中的科学探究意识。有效的克服了教学困难。提高了教学效果。

关键词：布朗运动；烟气法；花粉；摄像法

物理是一个以实验为基础的学科，又是一个和生活联系很密切的学科，课程标准改革后，在物理教学中提出要“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。对于布朗运动的演示实验，初高中都有涉及，本文分别针对初高中教学中关于演示布朗运动这一实验做一些研究和改进。在教学上可以得到较好的效果。

1.简介布朗运动原理及其地位

布朗运动是指用显微镜才能看到的悬浮在液体或气体中微小颗粒所作的无规则运动。布朗运动永远不会停止，并且随温度升高而愈加剧烈，布朗运动不是分子运动，而是分子运动对微粒集团的作用引起的结果，布朗运动只是相对粗略地证明了分子运动的存在和分子运动的内在性，杂乱性与永恒性[1]。

布朗运动是分子运动论的实验基础，是分子运动这种微观现象的宏观体现。在液体和气体中悬浮的尘埃烟雾等都有这种类似的运动现象。对这个现象的理论研究只有用统计物理的方法才能阐述清楚原理，才能表达出对布朗运动研究的方法及其理论深度广度，赋予崭新的内涵。

在中学物理教学中，学生们可以认识到微小粒子的无规则运动是由于液体分子对悬浮微小粒子无规则撞击的结果。在教学上一直用布朗运动中粒子的无规则运动来证明分子热运切的理论，这正是说明布朗运动实验的理论和实践有着重要的意义。

2.演示布朗运动的一般方法、改进原因和评价

初级中学物理课本第十六章《热和能》中的第一节《分子热运动》中，以两个课堂演示实验分别讲解了气体间、液休间扩散现象，从而揭示“组成物质的分子或原子并不是静止不动的，而是在不停地运动着”的理论，也就诠释了“扩散”这一物理名词：不同物质在相互接触时，彼此进人对方的现象。

课本上传统演示气体扩散实验是用装有红橙色二氧化氮气体的瓶子上面，倒扣一个空瓶子，使两个瓶口相对，之间用一玻璃板隔开，抽掉玻璃板后引导学生观察会发生什么变化？时间长，不利于观察。气体制备有局限。

教材中演示液体分子也有扩散现象环节，是这样描述的：在量筒里装一半清水，水下面注入蓝色的硫酸铜溶液，静放几天后，界面逐渐模糊不清了。以此说明液体分子也在不停的做无规则运动。虽然此实验现象明显说服力强，但不足之处就是现象出现距离实验操作要几天时间，学生不能当堂观察到现象，印象不够深刻，而且硫酸铜溶液配制也比较费力。

通过这个实验可以加深学生对“气体分子是不停地运动着”这一概念的理解，还在一定程度上锻炼了学生的思维能力和创新能力。最后通过本课讲解揭示“组成物质的分子或原子不是静止不动的，而是在不停地运动着”的理论。本课的重点是如何形象直观地揭示这种现象。通过香烟烟气和空气相对地扩散运动，把本课内容具体化，生活化。易于观察和理解。把课本上用来演示影响扩散快慢因素的实验时用的墨水代替硫酸铜溶液，墨水贴近生活，现象出现得快，且也可与后面演示影响扩散快慢因素的实验接应好，得到事半功倍的效果。

3.演示方法的具体改进及评价

关于演示布朗运动的实验，学生的科研心理和研究的深度都有所不同。因此有着不同的教学侧重。

在演示气体扩散现象时，试验方法如下：取透明且清洁的两个空集气瓶，取其中一集气瓶，在其内点燃一支香烟，香烟燃烧产生灰白色的烟气，使瓶内有足量的烟气，然后将集气瓶翻转过来，盖上一片薄玻璃片。然后将装有烟气的集气瓶连同玻璃片倒放在另一装有空气的集气瓶上见图（2）。两瓶相对，稳定后，抽去中间的薄玻璃片，可以观察到白色的烟气不断地向装有空气的集气瓶里运动，烟气灰白色，空气无色，两瓶气体的颜色逐渐变得一致，片刻后两瓶颜色达到一致。由于初中学生已经学习了关于重力的一些知识，又由于烟气比空气密度大，学生容易误解为出现这种实验现象是重力造成的。这时教师可以引导学生思考烟气和空气接触后彼此进入对方是不是由于重力的原因？怎样验证自己的结论？引导学生思考讨论，想到另取两个空集气瓶，取其中一集气瓶按上述方法充满香烟烟气，盖上薄玻璃片，将空气集气瓶倒放在其上，方法同上，见图（3），当抽去薄玻璃片后，可以观察到香烟烟气不断地运动到上面的空气中，最后达到颜色一致。本实验排除了香烟烟气和空气彼此进入对方是重力的原因，能成功演示当两者彼此接触后能发生扩散现象，正说明了组成香烟烟气的分子和空气分子是不停运动的。在此笔者还要介绍在演示液体扩散现象时教法上的一些改进，演示的具体方法如下：取一量筒，注入若干清水，然后用滴灌向量筒内滴入几滴蓝色钢笔水，会发现蓝色钢笔水在水中慢慢扩散开来，最后整杯水的颜色统一，变成淡蓝色。由此实验来说明液体分子也在永不停息的做无规则运动，液体也存在扩散现象。而接下来教师就可以拿来一杯热水和一杯冷水，同时滴入等量的墨水，来引导学生猜想哪个杯子的墨水扩散的快？以此进行下面的教学。

在初中物理课本中此实验用到的二氧化氮气体在制取过程中费时，需要化学试剂及反应器。对于初中学生来说，对二氧化氮的认识还局限于课本，没有生活上的认识。初中物理要用生动的实验给学生留下深刻印象，要贴近生活。告诉学生物理就在大家身边，要勇于探索发现。这也是物理演示实验教学的启发性要求。考虑到此实验用到二氧化氮的性质有：颜色为红棕色，易于和空气辨别，密度比空气大。笔者想到与二氧化氮有相似性质的香烟烟气，香烟烟气的颜色为白色，也容易与空气辨别，且密度比空气大。制备简单，贴近生活，用香烟烟气代替二氧化氮，对于每个学生来说都不陌生。这正是体现物理演示实验教学实验器材要简单的要求。而在液体扩散环节，用墨水来演示更能突显科学探究的教学新理念。

布朗运动的演示实验改进后，可以在几分钟内完成，既节省了时间又坚强了教学效果。过去中学物理教学中都用显微镜观察溶液的布朗运动，引导学生在显微镜下观看被观察液体的装片，由于镜头上有脏污或者其他不正常的操作，可能会看到一些干扰现象。不同的人眼睛焦度不同，当分别观察时，必须反复调焦，在有限的课堂时间内，教师无法准确的掌握每位学生观察到了什么，也就难以对每位学生的观察结果进行有针对性的指导，这样学生也就不能对观察到的现象做有进一步分析研究。直到观察结束，许多学生也没有对布朗运动形成一个正确的认识和理解。因此，必须改进这种观察方法，由学生单独用显微镜观察变成在老师指导下全班学生或较多同学一起观察、研究和讨论。经过研究和实践，笔者发现用摄像法将布朗运动显示在屏幕上，这样一次就可以供20-25人观看，可以有效克服上述困难，取得的教学效果较好。

参考文献：

[1]王瑞旦.宋善炎。物理方法论[M].中南大学出版社，1992.

[2]张德启.物理实验教学研究[M].科学出版社，2005.