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      用數(shù)碼顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng)*

      2020-07-01 09:28:04唐素珍
      物理通報(bào) 2020年7期
      關(guān)鍵詞:布朗運(yùn)動(dòng)載玻片數(shù)碼

      唐素珍

      (石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

      1 發(fā)現(xiàn)問題

      “布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)是高中階段的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)要求通過對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察、記錄,同時(shí)分析布朗運(yùn)動(dòng)的原因,得出結(jié)論:布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng),但它又間接反映液體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).這部分內(nèi)容是“分子動(dòng)理論”的重要組成部分,在整個(gè)高中《物理·選修3-3》知識(shí)體系中占據(jù)著重要的地位,是整個(gè)熱學(xué)的基礎(chǔ).因此讓學(xué)生觀察到布朗運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象就顯得尤為重要.教材在這部分利用的是如圖1所示的普通光學(xué)顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng).實(shí)際教學(xué)中如果用光學(xué)顯微鏡對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察,不但操作復(fù)雜而且學(xué)生不能同時(shí)觀察,教師也不能實(shí)時(shí)分析講解.

      圖1 普通光學(xué)顯微鏡下的布朗運(yùn)動(dòng)

      為解決上述問題,筆者對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn).

      2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

      2.1 實(shí)驗(yàn)器材

      碳素墨水,純凈水,數(shù)碼顯微鏡,Tracker軟件.

      2.2 實(shí)驗(yàn)過程

      (1)懸濁液的制備

      用膠頭滴管往50 mL的純凈水中滴入一滴碳素墨水,用玻璃棒攪拌均勻.

      (2)載玻片的選擇與制作

      1)載玻片的選擇: 載玻片選擇生物實(shí)驗(yàn)室的血細(xì)胞計(jì)數(shù)板(因?yàn)檠?xì)胞計(jì)數(shù)板上刻有格子,可以作為小顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)照,這樣小顆粒的運(yùn)動(dòng)看得更明顯).

      2)載玻片的制作:用膠頭滴管吸取一滴懸濁液滴在載玻片的凹槽內(nèi),蓋上蓋玻片(注意不要留有氣泡).

      (3)實(shí)驗(yàn)裝置的使用

      將制作好的載玻片置于數(shù)碼顯微鏡的載物臺(tái)上.將數(shù)碼顯微鏡與電腦連接,并打開電腦軟件的數(shù)據(jù)采集窗口(DC6000X中的 ScopeImage 9.0),放大到全屏,顯微鏡選用放大400倍效果較好.這樣就可以讓全體學(xué)生共同觀察到小顆粒在不停地運(yùn)動(dòng)了.

      (4)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)研究對(duì)象的分析

      實(shí)驗(yàn)時(shí)視野中可以觀察到黑色固體小顆粒在不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng).顯微鏡下觀察到的黑色小顆粒的尺寸大約是1 mm,我們選擇顯微鏡的放大倍數(shù)為400倍,由此就可以估算出運(yùn)動(dòng)著的固體小顆粒的大小約為10-6m的數(shù)量級(jí),對(duì)比分子的數(shù)量級(jí)為10-10m,所以我們看到的黑色小顆粒的運(yùn)動(dòng)不是水分子的運(yùn)動(dòng),也不是固體分子的運(yùn)動(dòng);而是懸浮在水中的小碳粒的運(yùn)動(dòng).

      (5)利用Tracker軟件追蹤幾個(gè)不同的小碳粒的運(yùn)動(dòng)情況

      利用Tracker軟件可以追蹤到經(jīng)多個(gè)相同時(shí)間間隔顆粒所在的位置.用軟件打開一個(gè)布朗運(yùn)動(dòng)的視頻,建立坐標(biāo)軸和定標(biāo)桿,創(chuàng)建一個(gè)顆粒作為追蹤對(duì)象,選擇自動(dòng)追蹤,確定要追蹤的對(duì)象,將圖像放大,逐幀追蹤,這樣就可確定經(jīng)相同時(shí)間間隔顆粒所在的位置.選擇畫圖,確定橫縱坐標(biāo)分別為x和y,這樣就可以在軟件中畫出追蹤對(duì)象在不同時(shí)刻的位置圖,如圖2所示.將這些位置連線,可以發(fā)現(xiàn)連線毫無(wú)規(guī)則.根據(jù)連線的無(wú)規(guī)則性,我們可以推知布朗顆粒在做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng).

      圖2 小碳粒A的不同時(shí)刻的位置圖

      為了證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是偶然的,我們可以多追蹤幾個(gè)顆粒.圖2、圖3、圖4為隨機(jī)追蹤3個(gè)顆粒的位置圖.從中我們可以發(fā)現(xiàn):每個(gè)粒子的位置連線都沒有規(guī)律,是無(wú)規(guī)則的.因此固體顆粒在不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)結(jié)論:布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中的固體顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).

      圖3 小碳粒B的不同時(shí)刻的位置圖

      圖4 小碳粒C的不同時(shí)刻的位置圖

      (6)解釋布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因

      固體顆粒也是宏觀世界中的物體,要找到物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因,我們首先要對(duì)物體進(jìn)行受力分析.可知:水分子對(duì)固體顆粒的撞擊是固體顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因.固體顆粒做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)說(shuō)明水分子對(duì)固體顆粒的撞擊無(wú)規(guī)則,通過觀測(cè)與邏輯推理,得出水分子做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng).

      (7)觀察布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)小顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)要比大顆粒的運(yùn)動(dòng)明顯,解釋原理

      懸浮在液體中的固體小顆粒不斷地受到液體分子的撞擊,固體小顆粒越小,在某一瞬間跟它相撞的液體分子數(shù)越少,撞擊作用的不平衡性就表現(xiàn)得越明顯.如果懸浮在液體中的固體小顆粒很大,在某一瞬間跟它相撞的液體分子數(shù)很多,各個(gè)方向的撞擊作用接近平衡,這時(shí)就很難觀察到布朗運(yùn)動(dòng)了.

      (8)實(shí)驗(yàn):溫度越高,布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈

      利用數(shù)碼顯微鏡的錄像功能,現(xiàn)場(chǎng)錄制10 s左右的常溫下布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,在屏幕左邊播放,同時(shí)在屏幕右邊打開數(shù)據(jù)采集窗口.用酒精燈對(duì)懸濁液進(jìn)行加熱,對(duì)比觀察加熱前后布朗運(yùn)動(dòng)劇烈程度的變化.

      綜合以上的分析,可見布朗運(yùn)動(dòng)不是固體分子的運(yùn)動(dòng),也不是液體分子的運(yùn)動(dòng),而是懸浮在液體中的固體小顆粒的運(yùn)動(dòng),它的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)反映了液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).而且溫度越高布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈.懸浮顆粒越小,布朗運(yùn)動(dòng)越明顯.

      3 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

      (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)將數(shù)碼顯微鏡連接電腦并投影,全班學(xué)生可以很清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,這就使得實(shí)驗(yàn)由學(xué)生單個(gè)觀察轉(zhuǎn)換為學(xué)生在課堂上實(shí)時(shí)共同觀察,并且使得課堂上教師進(jìn)行實(shí)時(shí)分析講解成為可能,這不僅使實(shí)驗(yàn)更加直觀化、普及化,而且極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了課堂效率,增強(qiáng)了課堂教學(xué)效果.

      (2)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)象的分析,讓學(xué)生突破難點(diǎn),認(rèn)識(shí)到:布朗運(yùn)動(dòng)不是固體分子的運(yùn)動(dòng),也不是液體分子的運(yùn)動(dòng),而是固體小碳粒的運(yùn)動(dòng),它間接反映液體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).

      (3)利用Tracker軟件追蹤小碳粒的運(yùn)動(dòng)情況,可以很直觀地說(shuō)明小碳粒在做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng).

      通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn),使學(xué)生能更容易理解布朗運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生原因,有助于學(xué)生建立正確的物質(zhì)觀,同時(shí)在教學(xué)過程中也關(guān)注了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng).

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