布朗运动实验的改进

一、研究的背景及目的

普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-3分子动理论的基本观点一节中的“迷你实验室”观察碳粒在液体中的运动,课本是用碳素墨水用水稀释后取一滴放在载玻片上,盖上盖玻片,放在显微镜下观察悬浮在液体中的小碳粒的运动.但是,我们发现,该实验要做好难度很大,再加上观察时都是事先调好的一台或两台显微镜让所有学生都来观察,由于班内的学生比较多,组织学生观察既费时又费力,甚至影响整节课的教学.而且浊液容易干涸,一般晴朗的气候,空隙没有密封的观察片只能保持一节课的观察时间,碰到干燥的天气,十几分钟的时间悬浊液便所剩无几.所以大多数老师采用在黑板上讲解实验现象,这样学生的学习积极性会受到影响.

那么,有什么办法可以解决上述问题呢?带着问题的思考,我们觉得最好的办法就是改进实验,进行教具自制,并初步完成教具的制作.

二、研究过程

1. 确定课题

在课前进行悬浮液的配置,我们发现要选用颗粒较小的观察物质制成悬浊液,但是市面上卖的碳素墨水大多不好用（稀释的碳素墨水或墨汁,由于其颗粒太小,高倍显微镜实际上是看不大清楚布朗运动的.）于是我们就想到了用花粉或淀粉或美术颜料代替碳粒.

而显微镜放大倍数合理选择,也是实验成败的关键.我们发现显微镜放大倍数选择600多倍为宜,即物镜用“45×”,目镜用“15×”,放大倍数为675倍.这样选择易于调节,观察效果明显.而且显微镜中视场要有合适的亮度,太亮或太暗都看不清布朗运动.为了节省学生观察的时间,我们必须用多台显微镜,条件不够的学校又不可能,而且不好操作.因此,我们想到了用放大投影观察布朗运动.

2. 收集资料,确定具体设计方案,并完成设计图

由于悬浮液颗粒很小,不易观察,能否把它放大呢?经过思考,我们发现凸透镜不但对光束有扩散作用,而且对成像也有放大作用.从凸透镜成像的光路图启发了我们,可以把发光体改为悬浮颗粒.如何用凸透镜装悬浮液呢?我们想到了玻璃和水的折射率基本相同且比空气的大,这样装满水的玻璃灯泡就相当于一个凸透镜.

接下来是光源的选择,普通的光源发射能力不强,能量的不够高度集中,所以亮度不高,对成像不利.与一般光相比,激光具有四个特点：

（1）亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中,所以亮度很高.

（2）方向性好：激光发射后发散角非常小.

（3）单色性好：光的颜色由光的不同波长决定,不同的颜色,是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来.激光的波长基本一致,谱线宽度很窄,颜色很纯,单色性很好.

（4）相干性好：激光不同于普通光源,它是受激辐射光,具有极强的相干性.

所以我们选择了激光器作为光源.

我们的设计方案是这样形成的：

（1） 初步构想：把白炽灯泡的底座去掉,将内部的灯丝取出,用水将内外清洗干净,再在灯泡中装满纯净水,以此当做凸透镜.然后将少许淀粉撒入玻璃泡中的水,最后用激光照射.

（2） 改进：为了使实验现象更为稳定,我们想到了把实验仪器固定在木板上.

（3） 最终方案：有了上面的构思,我们对实验进行改进,并完成了实验设计图.

3. 教具制作及实验演示

实验仪器：一支激光器、一只白炽灯泡、一块方形木板、8号铁丝、三枚铁钉、水和少许淀粉

仪器制作：把白炽灯泡的底座去掉,将内部的灯丝取出,用水将内外清洗干净,再在灯泡中装满纯净水；将铁丝剪断且弯成两个“丫”字形支架,钉在木板上,并把激光器固定在“丫”字形支架上；将三枚铁钉形成三角形钉在木板上,再将装满纯净水的玻璃灯泡放平稳在三枚铁钉之间.

实验演示：

（1） 把教室的门和窗帘关起来,打开激光器,使激光通过灯泡照射在墙壁上,此时墙壁上会呈现一个较大的光斑.

（2） 将少许淀粉撒入玻璃灯泡中的水,这时墙壁上观察到的光斑中就会立即有很多微小的发光点在不停地做无规则运动.这是因为液体分子无规则运动从各个方向撞击悬浮在液体中的微小淀粉颗粒,从而引起这些微小颗粒的无规则运动.这些无规则运动的颗粒经过扩散的激光束照射,成为一个个不停运动的光点而映射在墙壁上,这是布朗运动.但这个实验需要注意的是,淀粉不能撒得太多了,如果撒多了,光斑很暗,光点的运动就看不清楚了.

（3） 随着观察时间的延长,我们会发现光点慢慢增大且运动速度也会变慢.这是因为淀粉颗粒吸收水分后膨胀,受到周围水分子碰撞次数增多,平衡性加强,因此无规则运动的速度变慢了.

（4） 如果在玻璃灯泡中加入一些热水,我们会发现发光点的运动速度明显加快了,由此让学生认识到分子运动随温度的升高而变得更加剧烈了.

4. 撰写论文,做进一步改进的设想

我们对整个活动的过程进行了总结,撰写报告.

三、项目特色

1. 实验现象形象直观,实验效果良好

利用激光器对课本布朗运动实验的改进,实验现象直观,特别是通过具有凸透镜性质的装满水的玻璃灯泡进行成像放大,使微小颗粒所产生的布朗运动更加明显,取得了良好的实验效果.

2.成本低,结构简单

整个模型的材料,制作的经费就十几块钱,设计结构简单.

3.该仪器适应性、实用性强,可以实现多种实验

该仪器不仅适用于布朗运动的实验,还可以用来观察生物切片的载玻片,使生物学很多在课堂上难以实现的演示实验取得满意的效果.

四、收获和体会

回过头来细细品味我们的创新过程,虽然有点辛苦,特别是制作过程遇到了一些挫折,但是在我们的努力下,总算是如期完成,心里十分高兴,有着很大的成就感.

通过这次有意义的创新活动,我们最深刻的体会是,科学创新是不断的改进和完善的过程,这个过程需要时间,需要我们每一个人坚持不懈的努力.

通过这次的创新活动,我们再次认识到知识迁移与运用的重要性,懂得了团结合作的重要性.我们相信这一次难得的经验将对我们以后的生活和学习有很大的帮助.

（作者单位：福建省南安第一中学362300）