高中布朗运动实验演示的创新与改进方法

高中布朗运动实验演示的创新与改进方法

李诚

平果高级中学 广西百色 531499

摘要：在本文当中主要分析现阶段高中物理布朗运动实验的一些的现状，对于一些情况进行了简单的概括。对于悬浊液以及显微镜拍摄，探索载玻片的改进措施进行了简单的介绍。对于高中物理布朗运动演示实验存在的一些困难，比如现象不够明显，操作困难的问题进行了一些分析。然后从多个角度对高中物理物理的布朗运动实验进行了一些积极改进措施。

关键词：布朗运动；演示实验；改进；创新

引言：人教版高中物理第七章“分子动力学”的第2节的分子的热运动部分旨在演示实验：“对布朗运动的观察”。而在实验过程中出现了一些困难。显然，老师很难对实验进行操作，学生看不见，导致老师使用，甚至是直接用视频和动画模拟，而不是直接观察。这样对学习没有用处。只有观察、分析、讨论甚至推测。最终使得学术领域的科学研究和科学思维的基本要求没有得到解决。

1. 布朗运动实验演示的背景简单介绍

布朗运动是人教版《高等物理II》的第十一章(分子热运动的保存)的第二节(热分子运动)的一部分。观察布朗运动是分子运动学研究的基础之一，这是一种热力学现象，在以往的学习一直是困难的。同时，对布朗运动的研究也很重要。可以对后面学习起到关键作用。例如，四位诺贝尔奖得主--爱因斯坦、佩林、默顿(R.S.Merton)和斯科尔斯(M.S.Scholes)受到了布朗运动的启发。因此进行的了其他领域的有些研究。而要克服这一困难，学生理解物理学史的关键是让学生真正看到布朗的动作。据我了解，几乎所有的物理教师都是按照教学方法进行实验，虽然老师的教材有一些新的想法和解决方案，但很难观察到实验现象。虽然在日常的教学当中老师们也采用了一些创性的办法。例如，采用一些多媒体视频进行简单介绍，或者使用计算机进行模拟。但也有弊端。主要问题就在于不够真实。学生不能够是实实在在的感受到。

2. 布朗运动实验演示难以观察的问题

引起“布朗运动”的实验现象不明显，难以观察。主要的关键因素包括：

1. 1. 观察困难：

这个实验是一个演示实验。为了用显微镜观察这一现象，教材中只列出了高倍率的显微镜^[1]。事实上，没有对显微镜的倍数进行一些解释和说明，而在学校的实验室当中的显微镜依赖于光源、微距、图像效果。要获得空气中可见的颗粒物，不可能进行分组实验观测。在使用高倍率显微镜观察布朗运动的实验是困难的，使得我们很难揭示了实验现象，最终导致我们仍然需要不断的进行观察与实验。

另一个方面因为显微镜的观察，使得学生很难参与观察和分析。根据对几名学生的观察，得出的结论是，学生的参与率较低，不符合教学的方针也就是以学生为主体的教学思想。

1. 2. 所需要的悬浊液在配取时比较困难不易成功：

课本时使用墨汁用水稀释后进行实验，但没有提到稀释的比例，实际上是稀释的墨汁的颗粒比较小^[2]。由于这些颗粒非常小，500倍于显微镜的颗粒只能看到单个的点。既有操作上的问题，也有分析和结论上的不足。那么选择一个明显的实验现象所观察到的悬浮液浓度是多少？这是其中的一个谜题。

1. 3. 颗粒大小在布朗运动中的影响：

教科书在演示中的实验只产生了运动不规律的粒子。然而，实验中没有提到颗粒大小对运动强度的影响。并且也没有说明怎么做。这其实也是一个悬浊液制备的问题。

1. 4. 温度对布朗运动的影响：

教材在最后只进行了简单的介绍。根据我们观察到的布朗的运动，我们还可以看到，温度越高，悬浮液中的颗粒就越高。更高的温度会使得布朗运动变得清晰起来，但实验没有提到如何进行适当的调查。如何观察和对比不同温度下的悬浮液颗粒运动的强度是实验过程中需要注意的问题^[3]。

1. 5. 载玻片的制造很难。

教材的实验装置的介绍图片当中存在凹痕。如课本上所示的凹槽玻璃，展示一下在学校实验室里能够获取的主要为平面玻璃。所以就会造成不同的层次很难看清。最重要的是，观察时镜头会粘在盖子上。这样会使得悬浊液进行扩散，与不规则的运动相反，同时因为引起悬浮物的扩散这可能会污染显微镜镜头。此外，在课本中介绍了蜡做一个坑，但是影响玻璃板的透明度和观测效率。

3. 布朗运动实验的创新和改进点分析

实验研究与实践研究相结合。在分析以往的经验之后，考虑以下创新和改进的措施。实验取得了很好的效果，为实现学习目标做出了贡献。

1. 使用屏幕分享软件与微照片相结合的方式分享实验现象

用安装移动电话、平板电脑和其他电子设备的三个支架来进行微拍摄。使用同的屏接收到一张运动的高亮度图像。可以选择无线屏幕或大屏幕，教室投影屏幕等。让所有的老师和老师都能看到实验现象，同时=除了拍照片的方式。可以拍摄实验的过程的视频或照片。整样就可以有效地克服不清晰的问题。对比显微镜观察到的实验演示现象无法传播的情况，拍摄可以使得学生可以实时观察、讨论和分析实验。进一步分析、讨论。

2. 炭颗粒的吸附性、悬浮物的大小对实验的影响

在教科书和文献当中，使用稀释碳墨或涂料的实验演示。在实验中，稀释油墨品牌“英雄”。在显微镜下观察，检测到小颗粒，只能发现部分大颗粒。对颜料的稀释，使用1000倍显微镜观察，相对墨水。悬浮的黑色颗粒明显较大，效果有所改善，但悬浮的颗粒物仍然很小，大小接近，而且看不见。得出结论“颗粒越小，运动强度越强”。因为碳颗粒具有很强的吸附能力，比如烟尘颗粒和广告涂料。使可以将一滴墨加入稀释后的广告涂料中^[4]，制成悬浮液。稀释后，用观察显微镜将悬浮液放大1000倍。然后混合，可以看到颗粒出现在悬浮液中，但大小差别很大。

3. 找到一种合适的加热方式，在不同温度下实现“布朗运动”

温度对“布朗运动”的强度有着极大的影响。给出控制变量，试图得到相同的结果。对悬浮液分析比较，得出建议使用酒精加热对于高温程度难以确定，教室内使用明火也不方便。为了更好地展示效果，使用吹风机和红外线对实验进行了一些的研究。在研究中检测到的灯、恒温棒加热器、吹风机功率过大就会导致吹气时的颗粒行动受到了阻碍。在有热对流干扰的实验中，可以看到在这个过程中悬浮的颗粒。可以看到空气中颗粒物的运动发生明显的突然变化。

4. 载玻片的制作工艺

查阅文献发现，一些作者使用了透明的玻璃涂层胶带来挖掘中心部分。实际情况是很难掌握难度较小的一批透明橡皮筋、透明胶带。最后，悬浮液中的颗粒仍被寄出玻璃罩，导致悬浮液泄漏。在更广阔的视野中，空气中的颗粒物可以上下漂浮，很难挡住对颗粒物的观测。此外，悬浮剂的滴数必须适当，太少会使得泡沫产生，而且它仍会大量泄漏。当然三层透明胶粘剂制造槽可以观察到每一层空气中的颗粒物。但是你也不必担心粒子上下移动，从而使观察变得困难。另外悬浮量相对较大，可避免气泡，集中在最低层时释放。过多的悬浮物进入凹坑不会污染晶状体。最后制造工艺简单。这些简单、可管理的创新和改进使学生能够：

对显微镜成像和屏幕软件的使用得到提升。

经过上面的研究讨论，动态研究“空气中的大小颗粒，”布朗运动是可行的。

学生们根据温度关系和实验结果进行了验证。使得这项实验有着实践教育的意义。

帮助同学们取得优异成绩。不仅会舍得学生充分参与，观察、分析、讨论、猜测、思考、测试和获取知识。最后对学生的分析核心素养方面得到了出色的培养。

4. 结束语

随着高考对于学生能力的持续增长，物理考试的复杂性和灵活性也在不断增加。如果可以很好的完成物理实验，必然可以学会如何利用基础知识，对知识进行的迁移。对于创新的题目，也更可以从容应对。

参考文献：

1. 王贤乾. 布朗运动实验演示的创新与改进[J]. 物理教学,2019,41(7):39-40.

2. 陈友雄. 实验改进与创新——布朗运动实验的改进[J]. 物理通报, 2000(10):45-46.

3. 康良溪. 观察布朗运动实验的改进[J]. 教学仪器与实验, 1998(1).

4. 唐之训, TangZhixun. 高中物理布朗运动实验的准备和演示[J]. 中国教育技术装备, 2003(4):42-42.