布朗運動的顯微投影觀察及教學(xué)策略

布朗運動的顯微投影觀察及教學(xué)策略

劉小洪

(廣州市真光中學(xué)廣東 廣州510000)

劉立科

(廣州市明立科教設(shè)備有限公司廣東 廣州510000)

摘 要：介紹了一種以學(xué)校現(xiàn)有顯微鏡為基礎(chǔ)的顯微投影設(shè)備，它使布朗運動實景得以在課堂上呈現(xiàn)；同時也介紹了配合此顯微投影設(shè)備進(jìn)行課堂教學(xué)的教學(xué)策略.

關(guān)鍵詞：布朗運動顯微投影方法教學(xué)策略

收稿日期：(2015-03-03)

1問題提出

由于分子太小，在普通顯微鏡下是觀察不到分子及其運動的，所以高中物理“分子動理論”中關(guān)于“分子處于永不停息的無規(guī)則運動”這個觀點，只能由擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運動這2個實驗來支撐.遺憾的是，用普通顯微鏡較難觀察到布朗運動，這是因為影響觀察效果的因素較多，任何一個細(xì)節(jié)沒處理好，這個實驗都可能做不成功.實驗操作難度較大,許多教師缺乏做好這個實驗的經(jīng)驗，又沒有太多有效的、可借鑒的實驗操作指導(dǎo)，不少教師往往都放棄此實驗.

2布朗運動顯微投影設(shè)備

我們歷時1個多月的專項試驗，找到布朗運動顯微投影方案，效果非常好.這種方案能通過教室里的多媒體系統(tǒng)，把顯微鏡下的布朗運動實景投影到大屏幕上，供全班同學(xué)實時觀看.設(shè)備包括顯微鏡1臺、攝像頭(或電子目鏡)1個、電腦1臺、投影機(jī)1臺、出后最低溫”.然后溫度計的示數(shù)緩慢回升到室溫.把初始溫度、最高溫度、最低溫度記錄于表格.

依據(jù)(2)再做5次.

示例：將橡膠塞壓緊，初溫26.0℃，扣動活動扳手2次，溫度計示數(shù)為26.6℃，扣動活動扳手4次，溫度計示數(shù)為27.0℃，扣動活動扳手5次，塞子噴出，溫度計示數(shù)為27.2 ℃，為最高溫.塞子噴出后溫度計示數(shù)逐漸降低至 24.3℃，然后又回升到初溫26.0℃.

從扣動活動扳手到使塞子噴出，扣動活動扳手的具體次數(shù)與橡膠塞的壓緊程度有關(guān).

(4)實驗完畢，將橡膠塞和橡膠管取下，將水和酒精從啟普發(fā)生器中的葫蘆狀球形容器部分的頂部孔倒出，將容器清洗干凈，將電子溫度計的開關(guān)撥到OFF.將堵縫槍“頂桿”擰轉(zhuǎn)后，拉到初始位置.

(5)實驗記錄

記錄實驗數(shù)據(jù)的表格如表1所示.

表1　實驗記錄表格

改進(jìn)后的實驗裝置不僅保留了原裝置的優(yōu)點，還增加了新的亮點：

(1)此實驗裝置保證做功氣體的質(zhì)量不變，能夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明“做功改變物體內(nèi)能”.

(2)新實驗裝置壓縮更輕松.新的氣體推進(jìn)裝置具有推進(jìn)力強(qiáng)、操作方便、價格便宜、每次壓縮氣體量可控、氣體總壓縮量大等優(yōu)點.

(3)操作過程中，減弱了原裝置中人手對氣體溫度的影響.

屏幕1幅.

2.1器材配置

2.1.1顯微鏡配置

如果條件不允許，可以采用學(xué)校生物實驗室現(xiàn)有的普通顯微鏡，如圖1所示.如果條件允許，最好選用較為高級的，能調(diào)節(jié)機(jī)械平臺高度的顯微鏡，如圖2所示.

圖1　實驗室用普通顯微鏡　圖2　可調(diào)機(jī)械平臺高度的顯微鏡

試驗表明，用眼睛直接觀察布朗運動，物鏡要選×40倍，目鏡要選×16倍的配置，總放大倍數(shù)低于640倍時，能看清小黑點，卻看不見小黑點的運動(即布朗運動).

2.1.2攝像頭配置

幾十元就可以購得一個像素不低于130萬的網(wǎng)絡(luò)聊天用攝像頭，像素越高越好，低于此像素的攝像頭效果較差，不建議選用.下載“錄像大師”之類的軟件并安裝，在桌面建立快捷方式方便使用.

2.1.3電子目鏡配置

圖3　電子目鏡

也可以購買一個電子目鏡成品代替攝像頭，如圖3所示.同樣要求像素不低于130萬，且像素越高越好.一個130萬像素的電子目鏡成品價格大約是300元.

電腦、投影機(jī)、屏幕等器材都是教室里固有的，將它們與顯微鏡、攝像頭(或電子目鏡)搭配，組成一套顯微投影系統(tǒng).

2.2裝配方法

2.2.1攝像頭的改裝

先將購買來的攝像頭外殼拆去，留里面的鏡頭組件和USB數(shù)據(jù)線，如圖4所示.

圖4　拆去外殼的攝像頭

鏡頭向“縮進(jìn)”的方向縮到底.

將攝像頭上的USB插頭插入電腦USB插口.

點擊桌面軟件圖標(biāo)打開軟件，軟件自動搜索攝像頭，然后會彈出一個要求選擇攝像頭的對話框，點擊“完成”選項，顯示器或屏幕上就會出現(xiàn)光影.

使攝像頭鏡頭與顯微鏡目鏡接觸，顯示器或投影屏幕上會出現(xiàn)圖像，此時的圖像可能不在屏幕正中央，這是由于顯微鏡目鏡與攝像頭物鏡不共軸所致，只要稍稍移動攝像頭物鏡位置，就可使圖像呈現(xiàn)在視場中央，隨即用熱融膠固定.

(顯微鏡目鏡+攝像頭組件被熱融膠合二為一后，安裝在一個盒子內(nèi)，那就更像一件作品了).

實施“開始錄像”操作，不僅能將顯微鏡下的圖像通過多媒體投影到屏幕上供全班學(xué)生觀看，而且所錄制的視頻文件會自動保存在默認(rèn)路徑里，當(dāng)然也可以進(jìn)行抓拍.圖5是用200萬像素的攝像頭所抓拍的圖像，顯示器或屏幕上顯示的是個圓形視場.調(diào)節(jié)顯微鏡聚焦手輪及微調(diào)，眼睛看屏，直到圖像最清晰為止(眼睛不再盯著顯微鏡的目鏡看，不傷眼，不疲勞).

圖5　用200萬像素攝像頭抓拍的圖像

2.2.2電子目鏡

這個無需改裝，拿來就可以用,方法如下.

安裝附送的光盤軟件，建立桌面快捷方式.

先將顯微鏡上的目鏡從鏡筒中取出并存放好，再將電子目鏡插入顯微鏡鏡筒中.

將電子目鏡上的USB插頭插入電腦USB插口，運行軟件.

調(diào)節(jié)顯微鏡聚焦手輪及微調(diào)，眼睛看屏，直到圖像最清晰為止.屏幕顯示的視場是長方形的，如圖6所示，顆粒沒有用攝像頭看到的清晰.

圖6　用電子目鏡實驗看到的圖像

3實驗前期準(zhǔn)備

3.1配液

燒杯裝清水50ml，往里面滴入2滴炭素墨水(約4顆東北大米的體積)，加入3顆東北大米那么大體積的水粉顏料，攪拌均勻待用.這樣配制的液體濃度適中，在屏幕上投影出的單位面積內(nèi)的微粒數(shù)適中，包含有大、中、小各種微粒，有利于同時觀察不同體積微粒的布朗運動差異.

3.2制片

如果手頭的載玻片帶凹坑，那就可以直接將配制好的液體滴入凹坑，再蓋上生物實驗室常用的正方形蓋玻片.如果手頭只有兩表面都是平面的載玻片，那就要制片.方法是用剪刀在不透明薄膠帶上剪去一個直徑約為1cm的圓洞，將有洞的膠帶貼在載玻片上使圓洞在載玻片的中央，去掉多余的膠帶，如圖7所示.將配置好的液體滴入圓洞，再蓋上蓋玻片，用紙巾吸去蓋玻片周圍多余的殘液.

圖7　對表面是平面的載波片進(jìn)行改裝制片

3.3找像

先用×10倍物鏡，×16倍目鏡，調(diào)節(jié)顯微鏡聚集手輪及微調(diào)，改變顯微鏡的載物臺與物鏡距離，直至看到視場中有清晰的細(xì)小黑點.

再改用×40倍物鏡，×16倍目鏡，調(diào)節(jié)顯微鏡聚集手輪及微調(diào)，改變顯微鏡的載物臺與物鏡距離，看到視場中細(xì)小黑點在做無規(guī)則的運動，直到黑點最清晰為止.

這個距離有多大？載玻片放置在載物臺之后，×40倍的物鏡下端差不多剛好觸及載玻片.這一步驟很重要，因為物鏡下端離載玻片距離稍遠(yuǎn)，就不能在顯微鏡視場中找到我們需要的圖像，有些教師沒有這方面的經(jīng)驗，花了大量時間卻始終找不到布朗運動，實在是冤.

為使圖像投影效果更佳，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)顯微鏡載物臺背面的光學(xué)系統(tǒng).

如果用的是圖1所示顯微鏡，只調(diào)節(jié)光柵；如果用的是圖2所示的顯微鏡，可調(diào)節(jié)阿貝聚光系統(tǒng)，如圖8所示.

圖8　調(diào)節(jié)阿貝聚光系統(tǒng)

3.4制光源

圖9　制作的顯微鏡光源

有些顯微鏡不帶電光源(買一個帶電光源的顯微鏡會增加不少成本)， 只能靠調(diào)節(jié)顯微鏡上的一個凹面鏡來會聚自然光.如果環(huán)境比較暗淡，聚光效果就不好.花幾元錢自制一個電光源是解決問題的好辦法.方法是找一個直徑略小于顯微鏡所附凹面鏡的瓶蓋(我們用的是裝潤膚品的瓶蓋)，在瓶蓋上鉆些小孔，將6～9個發(fā)白光的發(fā)光二極管(工作電壓是3V左右)安裝在凹面內(nèi)側(cè)，如圖9所示.把原凹面鏡拆下，將此裝置取而代之.

供電：將6～9個發(fā)白光的發(fā)光二極管并聯(lián)起來，再串接1個1kΩ的電阻，如圖10所示，供電電源可以是2節(jié)干電池，也可以是手機(jī)電池.

圖10　供電電源電路圖

4注意事項

(1)關(guān)于景深范圍

顯微鏡所能觀察到的布朗運動的景深范圍非常小，教師要大概知道物鏡在什么位置能看到布朗運動.我們的經(jīng)驗是：眼睛直接看物鏡，調(diào)節(jié)顯微鏡手輪，當(dāng)看到×40倍物鏡鏡頭下端幾乎要觸及載玻片時停止調(diào)節(jié)，清晰場景就在這附近，然后通過微調(diào)手輪進(jìn)行微調(diào)，這樣才能節(jié)約尋像時間.

(2)關(guān)于穩(wěn)定圖像

如果用圖1所示顯微鏡，實驗時如果手離開顯微鏡上的調(diào)節(jié)手輪(而不是微調(diào)旋鈕)，則顯微鏡筒組件在重力作用下會向下發(fā)生少許偏移，導(dǎo)致圖像模糊甚至沒了蹤影，因此，在觀察布朗運動過程中，手要恰到好處地用力擰著手輪不放松(要保持這種狀態(tài)很不容易，好在只需堅持幾分鐘)，最好選擇如圖2所示的，通過調(diào)節(jié)機(jī)械平臺高低來聚焦的那種顯微鏡.

5教學(xué)策略

(1)先用清水滴在載玻片上，調(diào)節(jié)顯微鏡手輪，看不見水分子也看不見任何活動的東西.

(2)在清水中滴入墨水和水粉顏料(比例如3.1所述)，攪勻，滴在載玻片上，調(diào)節(jié)顯微鏡手輪，看見許多黑顆粒在做無規(guī)則運動.

(3)引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察不同大小顆粒的運動情況差異.

(4)用攝子輕觸載玻片一角，可以看到顆粒朝著某個方向蜂擁而去.

(5)抓拍，大約每隔1s進(jìn)行一次抓拍，拍約20幅圖.

(6)猜想與分析.

6設(shè)計意圖

步驟1和步驟2的實驗對比，說明水分子是看不見的，能看到的小黑點，是后來加入的炭素墨水顆粒和水粉顏料顆粒，小黑點在不停地運動著，這種無規(guī)則運動就叫布朗運動；通過步驟3，得出顆粒越小，布朗運動越顯著，顆粒越大，布朗運動越不明顯，甚至看不到布朗運動的結(jié)論；通過步驟4，建立什么是無規(guī)則運動，什么是有規(guī)則運動的概念；將步驟5所抓拍的圖片以0.5s一張圖片的速度播放出來，可明顯地觀察到顆粒在不同時刻，出現(xiàn)在不同位置，使學(xué)生更好理解位置連線圖并不是運動軌跡圖，如圖11,12所示;由步驟6推理出布朗運動的原因以及大小顆粒受水分子沖擊的統(tǒng)計概率不同.

圖11　不同時刻(間隔0.5 s)抓拍的圖像

圖12　位置連線圖

7結(jié)語

像布朗運動之類的知識，最好采用實驗進(jìn)行輔助教學(xué)，百聞不如一見.對學(xué)生而言，有物可看，可以看到他們沒看過的新奇現(xiàn)象(新奇事能吸引人的注意力，產(chǎn)生視覺沖擊)；有事可想，對奇特現(xiàn)象的思考是人的一種本能，會引起人的思考沖動；有謎可猜，哪怕猜錯，學(xué)生也參與課堂互動，最后學(xué)生當(dāng)然是會有收獲的.

我們倡導(dǎo)以最小的投入獲得最大效益.

我們的這套方案從2013年推出以來，被許多教師采用，飽受贊譽，希望借此平臺與更多教師交流.