倪紅飛

(江蘇省太倉(cāng)市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉(cāng) 215400)

觀察到的是“擴(kuò)散”現(xiàn)象嗎?

倪紅飛

(江蘇省太倉(cāng)市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉(cāng) 215400)

在“分子熱運(yùn)動(dòng)”這一課教學(xué)中,很多教師都用觀察“墨水滴入水中發(fā)生擴(kuò)散”實(shí)驗(yàn)作為新課引入．

桌子上有一個(gè)燒杯,燒杯中盛有一定體積的水,旁邊有一個(gè)裝有墨水的滴管,將滴管中一滴墨水滴入到燒杯中,觀察過(guò)一段時(shí)間后,觀察到整杯水都變紅了.這種現(xiàn)象說(shuō)明分子在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),物理學(xué)中把這種現(xiàn)象叫做擴(kuò)散現(xiàn)象．

為了進(jìn)一步說(shuō)明擴(kuò)散快慢與溫度有關(guān)，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(shuō)明熱水中分子擴(kuò)散的更快．

表面上看,這個(gè)設(shè)計(jì)沒有問(wèn)題．但是,當(dāng)仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn),問(wèn)題遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜．在聽課過(guò)程中,筆者不禁產(chǎn)生了這樣的疑問(wèn):學(xué)生觀察到的是墨水滴在水中發(fā)生的擴(kuò)散現(xiàn)象嗎?

1 實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象及現(xiàn)象背后的含義

如圖1，當(dāng)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(shí)邊界慢慢擴(kuò)大;如圖2,墨水滴在燒杯中的絮狀向四面八方運(yùn)動(dòng)擴(kuò)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(zhǎng)時(shí)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(gè)過(guò)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(yīng)該是液體的對(duì)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(duì)流,當(dāng)然,同時(shí)也伴隨著擴(kuò)散現(xiàn)象的產(chǎn)生;當(dāng)進(jìn)入圖3的狀態(tài),液體的對(duì)流慢慢變緩慢,在接下來(lái)較長(zhǎng)的時(shí)間,分子的擴(kuò)散使整杯水均勻的變成了紅色．

所以,這個(gè)物理過(guò)程,同時(shí)發(fā)生著兩種物理現(xiàn)象.讓學(xué)生如何觀察、觀察什么?是十分重要的東西,需要教師提醒學(xué)生的．否則,實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)”這一課教學(xué)中,有3種容易混淆的物理現(xiàn)象．一不小心,教師也會(huì)犯錯(cuò)．

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

第二種是布朗運(yùn)動(dòng)．布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體中的顆粒,在液體分子的撞擊下,做的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)．布朗運(yùn)動(dòng)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(jìn)行觀察．

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

3 “液體中擴(kuò)散現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的注意點(diǎn)

3.1 不同種類的墨水的使用

這方面,有人做過(guò)專門的研究．

例如,準(zhǔn)備了4種常用的墨水:紅墨水、純藍(lán)墨水、碳素墨水和墨汁．

哪些種類的墨水,可以用來(lái)觀察“墨水滴入水中發(fā)生擴(kuò)散”?

簡(jiǎn)單地說(shuō),滴入水中后最后能形成透明的溶液的墨水,可以用作實(shí)驗(yàn)．

紅墨水滴在水中后,一會(huì)兒這杯水就會(huì)變成紅色透明的溶液,剛滴時(shí)的紅色絮狀物也逐漸溶解在水中．這是因?yàn)橥ǔＶ圃旒t墨水的有機(jī)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(jìn)入到水分子的間隙中做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)．也就是擴(kuò)散所說(shuō)的“你中有我,我中有你”．所以紅墨水滴在水中發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象．

純藍(lán)墨水滴在水中,最后整杯水會(huì)變成接近紫色透明的溶液．因?yàn)榧兯{(lán)墨水的主要原料為可溶性的藍(lán)色染料,加阿拉伯膠及防腐劑制成．可溶性的藍(lán)色染料遇水后會(huì)褪色,所以最后看到的顏色接近于紫色．通過(guò)查閱資料,筆者發(fā)現(xiàn)組成純藍(lán)墨水的成分都是可溶于水的,所以純藍(lán)墨水滴在水中,它的分子會(huì)進(jìn)入到水分子中發(fā)生擴(kuò)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(kuò)散現(xiàn)象．因?yàn)樘妓啬稳胨?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(lái)觀察布朗運(yùn)動(dòng)．碳粒在水中運(yùn)動(dòng),雖然碳粒較大但肉眼無(wú)法看出,但可以通過(guò)不透光來(lái)判斷出．

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中避免對(duì)流的影響

如圖4所示,是觀察硫酸銅溶液擴(kuò)散現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)．

圖4

在量筒里裝一半清水,用長(zhǎng)頸漏斗將硫酸銅溶液注入量筒中清水的下面．因?yàn)榱蛩徙~溶液的密度比水的密度大,可以看到無(wú)色的清水與藍(lán)色硫酸銅之間明顯的界面．

經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)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(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了液體的擴(kuò)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(yùn)動(dòng),則不能證明是由液體分子擴(kuò)散引起的．

相比較,“墨水滴入水中發(fā)生擴(kuò)散”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還存在很多漏洞,擴(kuò)散現(xiàn)象是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程.從這種意義上講,原實(shí)驗(yàn)作為課堂的引入,嚴(yán)謹(jǐn)性值得推敲．

4 啟示

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué),物理概念的形成是建立在一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的．而實(shí)驗(yàn)必須通過(guò)觀察和測(cè)量才能獲得結(jié)論．良好的觀察能力既是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ),也是培養(yǎng)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)事物,積累知識(shí)的基本方法．物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要十分重視培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力．要指導(dǎo)他們學(xué)會(huì)正確的觀察方法,懂得觀察什么,怎樣觀察,觀察時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和觀察后怎樣思考問(wèn)題．更重要的是,這種潛移默化的過(guò)程,培養(yǎng)的是一種科學(xué)嚴(yán)瑾的態(tài)度．所以,實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題,不能輕易地放過(guò),更不能用虛假的現(xiàn)象欺騙學(xué)生,只有這樣,才能在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)真正提高學(xué)生的核心素養(yǎng)．

2017-03-30)