實(shí)驗(yàn)“用油膜法估測(cè)分子大小”的改進(jìn)研究

閔一恒+++張建民

【摘要】介紹了“用油膜法估測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn)中，對(duì)撒粉、滴液控制和油膜面積計(jì)算等三方面的改進(jìn)方法。

【關(guān)鍵詞】油膜法 估測(cè)分子大小 物理實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改進(jìn)

【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）48-0144-01

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略

本實(shí)驗(yàn)是學(xué)生第一次進(jìn)入微觀世界進(jìn)行學(xué)習(xí)，興趣比較濃厚，但學(xué)生思維的活躍程度、發(fā)散程度不高，實(shí)驗(yàn)操作能力較低給教學(xué)帶來不小的困難[1]。這就要求教師要結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程，采用學(xué)生更容易接受的方式；緊密聯(lián)系生活，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的興趣；通過分析總結(jié)出導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差偏大的問題并加以改進(jìn)，讓學(xué)生進(jìn)一步理解把微小的物理量轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的物理量的方法[2]。

2.實(shí)驗(yàn)原理及問題分析

油酸的分子式為C17H33COOH，它的一部分是羧基（—COOH），對(duì)水有很強(qiáng)的親合力，另一部分（C17H33）對(duì)水沒有親合力，因此油酸分子會(huì)一個(gè)個(gè)地直立在水面上形成單分子油膜。實(shí)驗(yàn)就是通過油膜的總面積來估算油酸分子的直徑，需要解決的問題有兩個(gè)：一是獲得很小的一滴油滴并測(cè)出其體積；而是測(cè)量這滴油酸在水面上形成的油膜面積。

但在實(shí)際操作中，學(xué)生操作的不熟練導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，經(jīng)過觀察總結(jié)出以下問題：

（1）撒粉問題

沒有具體地說明撒粉方法，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)往往易把粉末撒得過厚、不均勻，導(dǎo)致滴入酒精油酸溶液后，不能形成單分子層油膜，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不能精確地完成撒粉和滴液過程。

（2）控制滴液?jiǎn)栴}

靠手感控制注射器或滴管滴定液滴，學(xué)生在操作時(shí)難以把握，易造成多滴甚至成液線的情況。

（3）油膜面積計(jì)算問題

通過數(shù)玻璃板上的方格數(shù)，算出油膜面積S，方格過小，易出錯(cuò)，導(dǎo)致結(jié)果誤差大。

總的來說，這些問題一方面影響到了教學(xué)任務(wù)的完成，另一方面打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，因此要結(jié)合學(xué)生當(dāng)前的興趣特點(diǎn)及知識(shí)技能水平針對(duì)這三方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（1）撒粉問題

針對(duì)這個(gè)問題，采用透明塑料筒（筒蓋直徑在2～4cm范圍內(nèi)），如廣口的飲料瓶，內(nèi)盛干燥石膏粉（或痱子粉）后，筒蓋中心取略小于蓋的大孔，在筒口和筒蓋之間夾一塊輕質(zhì)紗布。將筒倒立并輕輕敲擊筒底，撒粉時(shí)要讓粉膜面積不超過淺水盤的一半[3]。也就解決了石膏粉要薄而均勻地被撒在淺水盤的水面上操作難度大的問題，同實(shí)驗(yàn)所采用器具都是從生活中提取出來的，拉近物理實(shí)驗(yàn)與生活的距離。

（2）控制滴液?jiǎn)栴}

用滴管（注射器）抽取1mL濃度為1‰的酒精油酸溶液，把滴管的活塞往上拉至側(cè)面孔的上方，使管內(nèi)液面跟管外的大氣相通，管內(nèi)溶液在重力和大氣壓的作用下，通過針孔形成自由滴[4]，滴液間隔時(shí)間約3s。先在水槽旁豎立滴管試滴4～5滴，然后大致勻速移到淺水盤水面中央上方（距水面1～2cm）滴入一滴溶液，便迅速移開滴管，此時(shí)可看到粉膜迅速向四周散開，而后回縮一些，最后在粉膜中央形成一塊形狀不規(guī)則的單分子層油膜。

把上一步操作中的滴管放在量筒上（選取恰能撐起注射器不至于落入量筒），量筒盛接下滴的溶液，仔細(xì)觀察滴管內(nèi)的液面，當(dāng)液面在某一刻度線上時(shí)（如a mL），開始計(jì)滴數(shù)，直至液面降到另一刻度線（如b mL），記下總滴數(shù)N和相應(yīng)溶液體積V=a-b，然后用V0=V/N×1‰計(jì)算出一滴酒精油酸溶液中所含油酸的體積。

針對(duì)改進(jìn)前的滴液?jiǎn)栴}，這樣的改進(jìn)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手操作，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)可以避免人為誤差的因素。

（3）油膜面積計(jì)算問題

針對(duì)這個(gè)問題，采用拍照法，巧妙規(guī)避人工數(shù)格帶來的費(fèi)時(shí)、誤差大的問題。對(duì)根據(jù)油膜輪廓畫好的玻璃板進(jìn)行拍照，分別對(duì)玻璃板和油膜輪廓進(jìn)行選取，得到兩者的像素，由此就能得到油膜面積占總面積的百分比，只要再測(cè)得玻璃板的面積，通過計(jì)算就能得到比較準(zhǔn)確的油膜面積。這一改進(jìn)不僅吸引了學(xué)生的探知熱情，更是讓學(xué)生直觀體驗(yàn)了如何將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)當(dāng)中。

4.總結(jié)

基于對(duì)教材的分析以及對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的了解，提出具體的改進(jìn)策略，使得實(shí)驗(yàn)改進(jìn)不再為改進(jìn)而改進(jìn)，而是要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知水平，為實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)指出明確的方向。實(shí)驗(yàn)“油膜法估測(cè)分子大小”是學(xué)生第一次進(jìn)入微觀世界進(jìn)行學(xué)習(xí)的必要過程，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和探索性。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁麗娟.《單分子油膜法估測(cè)分子的大小》教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2014，（6）：73.

[2]吳強(qiáng).用油膜法估測(cè)分子大小實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法——例談在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯性進(jìn)行科學(xué)方法教育[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2013，42（09）：57-58.

[3]陳征燕.如何做好“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（7）：32-33.

[4]朱向陽(yáng)，施國(guó)富. “用油膜法估測(cè)分子的大小”的幾點(diǎn)做法[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備，2006，（06）：30-33.

作者簡(jiǎn)介：

閔一恒（1992-），男，陜西西安人，2016級(jí)在讀碩士研究生，研究方向是中學(xué)物理教學(xué)。

張建民（1959-），博士，陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向包括原子與分子物理和中學(xué)物理教育。