倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉 215400)

觀察到的是“擴散”現(xiàn)象嗎?

倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉 215400)

在“分子熱運動”這一課教學中,很多教師都用觀察“墨水滴入水中發(fā)生擴散”實驗作為新課引入．

桌子上有一個燒杯,燒杯中盛有一定體積的水,旁邊有一個裝有墨水的滴管,將滴管中一滴墨水滴入到燒杯中,觀察過一段時間后,觀察到整杯水都變紅了.這種現(xiàn)象說明分子在做永不停息的無規(guī)則運動,物理學中把這種現(xiàn)象叫做擴散現(xiàn)象．

為了進一步說明擴散快慢與溫度有關，再把墨水滴入一杯冷水和一杯熱水中,看到熱水中顏色變均勻地較快,說明熱水中分子擴散的更快．

表面上看,這個設計沒有問題．但是,當仔細觀察實驗現(xiàn)象時,就會發(fā)現(xiàn),問題遠比想象的復雜．在聽課過程中,筆者不禁產生了這樣的疑問:學生觀察到的是墨水滴在水中發(fā)生的擴散現(xiàn)象嗎?

1 實驗觀察到的現(xiàn)象及現(xiàn)象背后的含義

如圖1，當墨水滴入到燒杯中,最先觀察到墨水滴在燒杯中成絮狀下沉,同時邊界慢慢擴大;如圖2,墨水滴在燒杯中的絮狀向四面八方運動擴展,邊界處慢慢模糊;如圖3,墨水的絮狀幾乎充滿燒杯,足夠長時間后,整杯水都均勻地被染成了紅色．

圖1

圖2

圖3

顯然,在這個過程中,從圖1到圖2的狀態(tài),從圖2到圖3的最初狀態(tài),發(fā)生的主要物理現(xiàn)象應該是液體的對流,由于墨水的密度大于水的密度,所以,墨水滴入到燒杯的初期,最先觀察到墨水滴在燒杯中成絮狀下沉,又由于溫度的差異,加速了這種對流,當然,同時也伴隨著擴散現(xiàn)象的產生;當進入圖3的狀態(tài),液體的對流慢慢變緩慢,在接下來較長的時間,分子的擴散使整杯水均勻的變成了紅色．

所以,這個物理過程,同時發(fā)生著兩種物理現(xiàn)象.讓學生如何觀察、觀察什么?是十分重要的東西,需要教師提醒學生的．否則,實驗起到了相反的作用．

2 容易混淆的3種物理現(xiàn)象

在“分子熱運動”這一課教學中,有3種容易混淆的物理現(xiàn)象．一不小心,教師也會犯錯．

第一種是對流．對流是液體(或氣體)整體的運動,凡是肉眼直接能觀察到的,都與對流有關．冬天飛舞的雪花,空氣中舞動的塵埃,墨水滴在燒杯中的擴展,都是由流體整體運動決定的．

第二種是布朗運動．布朗運動是懸浮在液體中的顆粒,在液體分子的撞擊下,做的無規(guī)則運動．布朗運動的主體是懸浮在液體中的顆粒,盡管顆粒肉眼觀察不到,但顆粒與分子比較,仍屬于宏觀粒子,所以,可用顯微鏡進行觀察．

第三種是分子擴散運動．運動的主體是分子,由于分子極小,所以,分子運動是一種“看不見的運動”．因此,分子擴散運動是不能直接觀察的．所謂“觀察分子擴散運動”,其實,并沒有看到真實的運動,是比較前后兩個狀態(tài)的區(qū)別,間接地推測出分子的擴散運動．

3 “液體中擴散現(xiàn)象”實驗的注意點

3.1 不同種類的墨水的使用

這方面,有人做過專門的研究．

例如,準備了4種常用的墨水:紅墨水、純藍墨水、碳素墨水和墨汁．

哪些種類的墨水,可以用來觀察“墨水滴入水中發(fā)生擴散”?

簡單地說,滴入水中后最后能形成透明的溶液的墨水,可以用作實驗．

紅墨水滴在水中后,一會兒這杯水就會變成紅色透明的溶液,剛滴時的紅色絮狀物也逐漸溶解在水中．這是因為通常制造紅墨水的有機染料有墨水紅、一品紅、酸性大紅G,這些染料都是不穩(wěn)定的,因此它們滴到水中以分子的形式進入到水分子的間隙中做無規(guī)則運動．也就是擴散所說的“你中有我,我中有你”．所以紅墨水滴在水中發(fā)生擴散現(xiàn)象．

純藍墨水滴在水中,最后整杯水會變成接近紫色透明的溶液．因為純藍墨水的主要原料為可溶性的藍色染料,加阿拉伯膠及防腐劑制成．可溶性的藍色染料遇水后會褪色,所以最后看到的顏色接近于紫色．通過查閱資料,筆者發(fā)現(xiàn)組成純藍墨水的成分都是可溶于水的,所以純藍墨水滴在水中,它的分子會進入到水分子中發(fā)生擴散現(xiàn)象．

碳素墨水與墨汁組成成分基本相似,雖然滴入水中水變?yōu)楹谏?但它卻是“假冒”的擴散現(xiàn)象．因為碳素墨水滴入水中,這杯水就變成了懸濁液,懸濁液是固體小顆粒懸浮于液體里所形成的混合物叫做懸濁液,可以放在顯微鏡下用來觀察布朗運動．碳粒在水中運動,雖然碳粒較大但肉眼無法看出,但可以通過不透光來判斷出．

3.2 實驗設計中避免對流的影響

如圖4所示,是觀察硫酸銅溶液擴散現(xiàn)象的實驗．

圖4

在量筒里裝一半清水,用長頸漏斗將硫酸銅溶液注入量筒中清水的下面．因為硫酸銅溶液的密度比水的密度大,可以看到無色的清水與藍色硫酸銅之間明顯的界面．

經過足夠長時間,量筒中清水和硫酸銅溶液的明顯界面逐漸變得模糊,這個現(xiàn)象說明了液體的擴散現(xiàn)象．

如果把CuSO4溶液放在上面,由于 CuSO4溶液密度大,將因重力作用加速向下運動,則不能證明是由液體分子擴散引起的．

相比較,“墨水滴入水中發(fā)生擴散”的實驗設計還存在很多漏洞,擴散現(xiàn)象是一個漫長的過程.從這種意義上講,原實驗作為課堂的引入,嚴謹性值得推敲．

4 啟示

物理學是一門實驗的科學,物理概念的形成是建立在一定的實驗基礎上的．而實驗必須通過觀察和測量才能獲得結論．良好的觀察能力既是實驗能力的基礎,也是培養(yǎng)學生正確認識事物,積累知識的基本方法．物理實驗教學要十分重視培養(yǎng)學生的觀察能力．要指導他們學會正確的觀察方法,懂得觀察什么,怎樣觀察,觀察時應注意的問題和觀察后怎樣思考問題．更重要的是,這種潛移默化的過程,培養(yǎng)的是一種科學嚴瑾的態(tài)度．所以,實驗中出現(xiàn)的問題,不能輕易地放過,更不能用虛假的現(xiàn)象欺騙學生,只有這樣,才能在學習知識的同時真正提高學生的核心素養(yǎng)．

2017-03-30)