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第16章 分子运动论实验的操作与改进(1)

分子间间隙的演示

为了演示物质分子间存在的间隙,中学教材中均采用在一只大试管中倒入等量的酒精和水,然后让其混合,根据其体积减小,从而说明物质分子间存在间隙,但那样做,其效果并不太明显,甚至有些学生认为:其体积减小,并不在于物质分子间存在的间隙,而是在混合过程中液体的流失,为了消除学生这一错觉,江苏省建湖职业高级中学张坚老师做了这样的尝试,即将大试管改换成容量瓶,收到了较为明显的效果,表现出如下的优点:

(1)现象明显因酒精与水混合,其体积变化很小,如用上下粗细都一样的大试管,所观察出的液面下降不太明显,若改用肚大颈细而长的空量瓶做此实验,在容量瓶细长的颈部下降的液面是非常明显的。

(2)混合方便用大试管混合酒精与水,一般采用振荡方式使之混匀,为不使液体散失,振荡中应极为小心,而改用容量瓶,只要塞好塞子,上、下颠倒几下,即可成功。

(3)使教与学同步用大试管极为小心地振荡混匀时,必然时间较长,学生观察现象的激情逐渐冷却,甚至出现烦躁心态,产生“拒受”心理,若改用容量瓶混匀物质,时间将大为缩短,学生所要观察的现象很快出现,因而心情愉悦,使教与学处于同步状态。

(4)可信性强大试管的振荡易使液体流失,而容量瓶的瓶口及其瓶塞均采用磨砂的方法精制而成,因而密封性好,只要塞好塞子,不管如何混合,都不会使液体流失,出现的现象学生既容易相信,也容易接受。若在水中加几滴墨水,展现一点颜色,其观察效果将更佳。

液体扩散演示器的设计与使用

现行中学物理教学中,用来说明分子在做无规则热运动的扩散实验,是通过硫酸铜溶液扩散于清水来演示。而这种演示实验在短短几堂课内难以完成。江西省玉山一中邹学平老师设计的液体扩散演示器是为解决这一难点而设计的一种新型仪器。

仪器结构本仪器的结构和各部件的名称如图1所示,主要部件的作用为:a扩散溶液:由稀硫酸和水组成,是研究的对象。b固定装置:由玻璃杯,下部开一小孔的试管和软胶塞,支持架等组成,用来固定器材和盛放扩散溶液。c指示装置:由高灵敏氢离子探头,电流计或J0401型演示电表和导线组成,通过电流计指示值的增大反映出扩散过程的进行。

①玻璃杯②试管③支持架④稀硫酸⑤氢离子探头⑥水⑦软胶塞⑧电流计(或演示电表);⑨引线设计思想

(1)目的任务

a使学生认识分子做无规则热运动的现象,理解扩散概念,帮助教师完成对扩散过程进行定性演示的任务。b使学生明确扩散与温度的关系。帮助教师完成粗略验证扩散与哪些因素有关的演示任务。

(2)难点的突破

现行物理课本介绍,硫酸铜溶液与清水分界面经过几天时间后,蓝色硫酸铜将分布在整个容器内,以此说明扩散现象。事实上液体的扩散是一个缓慢的过程,在课堂45分钟教学时间内,根本无法通过两液体交界面颜色的变化,观察到液体扩散现象。但液体的扩散现象是客观存在的,只要改变观察方法,加强检测手段,就一定能反映出扩散的宏观效果。

(3)扩散的指示

我们知道,任意两种金属插入酸性溶液中,如用导线将这两种金属连接起来,导线中将有电流流过,这就组成一个原电池。高灵敏氢离子检测器就是根据原电池原理设计而成的,分别选取铜片和镁片两种金属材料,由固定板和引线焊接而成。当探头放进有氢离子存在的溶液中时,探头中的小原电池产生的电流将使电流计偏转,其电流的大小将随氢离子的浓度而改变。

(4)稳定液面的获得

液体扩散演示器采用下端开小口的试管内盛放水,当其上端用软胶塞塞紧时,试管中的溶液在大气压的作用下,不会从小口中漏出来。将试管固定后再逐渐在玻璃杯中加入稀硫酸,直至液面封闭试管下端的小口为止。如在加入稀硫酸时有一些晃动,但由于另一种溶液放在开口很小的试管内,基本上不受外界微小扰动影响,所以两液面初始分界线比较清晰、稳定。

使用方法

(1)实验前的准备

a用手指堵住试管下端的小口,倒入水,将软胶塞(灵敏探头固定其上,并有两根引线穿过该塞)塞入试管内,直至手放开溶液不会漏出为止,然后把试管固定在玻璃杯中间。b将探头的两根引线接在电流计的Gl挡两接线柱上(或演示电表拨在AV挡,并且串接一个阻值为2KΩ的电阻)。

(2)演示过程

读出电流初始值(由于水有部分氢离子电离),将稀硫酸逐渐倒进玻璃杯中,直至液面把试管下端小口封住为止(即两种液体相接触),这时两种密度不同的溶液将相互扩散,经一段时间,下面的酸溶液将扩散到探头所在位置,大约10分钟后,读出电流值,这时电流将有较大幅度的增加。

注意事项

a两种液体温度应保持相同,这样可消除由于温度不同而引起的对流现象。b探头距试管下端小口距离在3mm以内,并保持不变。c玻璃杯中的液面应低于试管中的探头位置。d如遇试管下端小口处的水溶液向里凹,可用滴管在试管外滴加水溶液补充,之后才可加入稀硫酸溶液。

液体间扩散现象实验的改进

初中物理课本中的液体间扩散现象实验,是用小漏斗向水中加硫酸铜溶液,由于小漏斗管颈中有空气,且液位差较大,因而在加液时易产生气泡,造成加液后两液体界面不清晰。

另外此实验要静置较长时间才能观察到结果,这就不利于在一节课时间内得出结论。鉴于上述原因,西北电建四公司中学杜增民老师对此实验作了如下改进。

原理(1)利用连通器原理加液。

(2)温度高分子运动加快。

器材两个异径玻璃管A、B。且B管后垫有白色背景;胶管及止水夹。

实验方法(1)在A管中加入硫酸铜溶液,将B管中的液面调至细颈处或稍偏下,拧紧止水夹。

(2)在B管中加入加热后(70℃~80℃)的蒸馏水,并调整A、B两管间的液面基本相平或A管略低。

(3)打开止水夹,小心缓慢地升高A管使硫酸铜溶液缓慢地从B管的底部上升,此时在B管内即形成界限相当分明的硫酸铜液与水的分界面。静止放置约一节课时间,即可看到原来清晰的界面模糊了。

注意

(1)调整A、B管液位时,A管的液位只能微低于B管的液位,否则造成硫酸铜溶液冲向B管,将破坏交界面。

(2)异径玻璃管也可自己装配,如图3所示。

(3)此实验的特点是加液易掌握,能形成清晰的界面。

(4)实验完毕可将B管中的硫酸铜液调至细颈处,拧紧止水夹,将B管内的混合液倾倒,再加入热蒸馏水即可重新实验,操作简单,便于移动。

提倡用蜂粮做“布朗运动”实验

分子运动论中的“分子永不停息地做无规则运动”一言,对“永不停息”的运动,容易给以证实,而这种永不停息的运动是“无规则”的运动,就难以得到证明。用扩散现象证实了分子运动是永不停息的运动,并不等于证明了分子运动的路径是无规则的。着名的“布朗运动”实验是大量分子做无规则运动的最有力的间接证明。可是做这个实验有一定的难度,其原因有二:一是按教学进度,当上到分子运动论时,已是百花凋零时节,花粉难觅,偶尔寻得,颗粒线度又未必理想;二是若改用炭素墨水做实验,稀释倍数小了,往往是看到一片漆黑,影响观察;稀释倍数大了,又可能在视场内难以找到炭素小颗粒。我们通过反复实践,终于摸索到用蜂粮做“布朗运动”实验,效果最佳。所谓蜂粮,就是蜜蜂采集的植物花粉,加入少量花蜜和唾液形成球形团块,由一对后足的花粉篮带回蜂巢,装入巢房捣实后,上面再加入一些蜂蜜贮存起来的幼蜂食粮。安徽省休宁海阳中学戴发达、潘习华老师介绍的做法是:

检验液的制备

用筛选出来的50毫克蜂粮加进1000毫克蒸馏水的配方法制成5%浓度的检验液即可。

显微镜的选择

选用合适的显微镜,就可以看见足够小的蜂花粉颗粒在受到水分子撞击力作用下做无规则运动。选用不低于500倍而又不超过800倍的镜为好。我们结合本校的实际情况,选用了一台×SP-02型镜,物镜是40×,目镜是16×,在16×40=640倍的情况下,可得到清晰的物象。

操作时的步骤

(1)摆好显微镜,使载物台放置在水平位置。

(2)把镜筒装上合适的目镜和物镜。光栏板孔径选到最大,且对准通光孔,同时利用自然光源,转动反光镜,对好光线,从目镜竖直俯视下去亮度越大越好。

(3)选用矩形平玻璃片作载玻片,并用肥皂水把它洗刷干净,擦干备用。再用移液管直接向载玻片中央滴入一滴检验液,且用移液管尖端把检验液摊平,铺液面积不小于3平方厘米,再把盖玻片将检验液轻轻盖上。然后顺调节细准焦螺旋,使镜筒下降,调到尽头。接着又顺调节粗准焦螺旋,使物镜下降到与盖玻片之间的距离约1厘米左右。在这一过程中,要用眼睛沿盖玻片上方水平注视,以免物镜碰着盖玻片。

(4)由于物镜的工作距离很短,故只要仅调节细准焦螺旋,缓慢地升高镜筒,不一会儿,就能看到清晰的物像,这是检验液中部分颗粒登场的缘故。同时要不失时机地顺反调节细准焦螺旋,使之得到布朗运动颗粒最清晰的物像时为止。然后再调节光栏板。选择合适的亮度,使物像更清晰。最后,用压片夹把载玻片压住,固定位置,供学生轮流观察。

用蜂粮的优点

我们的体会是用蜂粮做“布朗运动”实验的优点很多,主要有以下几点:

(1)原料易得只要向国营蜂场、集体蜂场、养蜂专业户购买都能得到。否则,向他们购买蜂花粉,然后自己加工贮备也可。

(2)成功率高蜂粮(包括蜂花粉)是蜜蜂采集来的百花粉,一般大、中、小颗粒均有。故在演示实验时,成功率高达100%。

(3)配方便利蜂花粉溶解于水后,成为半透明体。正因为这样,检验液透光度好,配方时浓度略大一些也行,无严格要求。十分简便。

(4)操作方便载玻片上无须先浇一层石腊,也无须挖孔。

蜂花粉的加工

蜜蜂采回的花粉,一般含水量20%~40%,容易发霉,必须对蜂花粉进行加工,制成蜂粮,方能备用。其方法很多,现只介绍一种常用的蜜制花粉团的加工方法如下:

不同季节采购到的湿蜂花粉团不完全都能利用,必须筛除杂质后,取出样品,进行检验,把颗粒线度最理想的蜂花粉装入有色玻璃瓶内,再倒进高浓度的纯蜂蜜按每1000克湿蜂花粉500克蜂蜜混入的配方法,让蜂蜜自己慢慢渗到蜂花粉团里面,然后封好瓶盖,在常温下保存。这样保管得当,可贮备数年不变质。

用头发丝衬托布朗运动

悬浮在液体中的小颗粒的布朗运动是分子无规则运动的实验证据。做好观察布朗运动的实验,能让学生清楚地看到布朗运动,是上好“分子的热运动”这一节课的关键。为了让学生能使用显微镜观察布朗运动,达到易调、显见、能比较的目的,江苏省通州市海晏中学郁其凤老师对该实验作了如下改进:

在显微镜的载玻片上滴有碳素墨水的稀溶液中加放一根头发丝,这样,学生调节时就容易在显微镜中先找到大目标——头发丝,再仔细调节,就可清楚地观察到头发丝旁的小颗粒在无规则地运动着。

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