用数码显微镜观察布朗运动*

唐素珍

(石狮市第一中学 福建 泉州 362700)

1 发现问题

“布朗运动”实验是高中阶段的重点实验．实验要求通过对布朗运动进行观察、记录，同时分析布朗运动的原因，得出结论：布朗运动不是分子运动，但它又间接反映液体分子无规则运动．这部分内容是“分子动理论”的重要组成部分，在整个高中《物理·选修3-3》知识体系中占据着重要的地位，是整个热学的基础．因此让学生观察到布朗运动的现象就显得尤为重要．教材在这部分利用的是如图1所示的普通光学显微镜观察布朗运动．实际教学中如果用光学显微镜对布朗运动进行观察，不但操作复杂而且学生不能同时观察，教师也不能实时分析讲解．

图1 普通光学显微镜下的布朗运动

为解决上述问题，笔者对这个实验做了一些改进.

2 改进后的实验

2.1 实验器材

碳素墨水，纯净水，数码显微镜，Tracker软件.

2.2 实验过程

(1)悬浊液的制备

用胶头滴管往50 mL的纯净水中滴入一滴碳素墨水，用玻璃棒搅拌均匀．

(2)载玻片的选择与制作

1)载玻片的选择: 载玻片选择生物实验室的血细胞计数板(因为血细胞计数板上刻有格子，可以作为小颗粒的运动对照，这样小颗粒的运动看得更明显)．

2)载玻片的制作：用胶头滴管吸取一滴悬浊液滴在载玻片的凹槽内，盖上盖玻片(注意不要留有气泡)．

(3)实验装置的使用

将制作好的载玻片置于数码显微镜的载物台上．将数码显微镜与电脑连接，并打开电脑软件的数据采集窗口(DC6000X中的 ScopeImage 9.0)，放大到全屏，显微镜选用放大400倍效果较好．这样就可以让全体学生共同观察到小颗粒在不停地运动了．

(4)对布朗运动研究对象的分析

实验时视野中可以观察到黑色固体小颗粒在不停地做无规则的运动．显微镜下观察到的黑色小颗粒的尺寸大约是1 mm，我们选择显微镜的放大倍数为400倍，由此就可以估算出运动着的固体小颗粒的大小约为10-6m的数量级，对比分子的数量级为10-10m，所以我们看到的黑色小颗粒的运动不是水分子的运动，也不是固体分子的运动；而是悬浮在水中的小碳粒的运动．

(5)利用Tracker软件追踪几个不同的小碳粒的运动情况

利用Tracker软件可以追踪到经多个相同时间间隔颗粒所在的位置．用软件打开一个布朗运动的视频，建立坐标轴和定标杆，创建一个颗粒作为追踪对象，选择自动追踪，确定要追踪的对象，将图像放大，逐帧追踪，这样就可确定经相同时间间隔颗粒所在的位置．选择画图，确定横纵坐标分别为x和y，这样就可以在软件中画出追踪对象在不同时刻的位置图，如图2所示．将这些位置连线，可以发现连线毫无规则．根据连线的无规则性，我们可以推知布朗颗粒在做无规则的运动．

图2 小碳粒A的不同时刻的位置图

为了证明实验结果并不是偶然的，我们可以多追踪几个颗粒．图2、图3、图4为随机追踪3个颗粒的位置图．从中我们可以发现：每个粒子的位置连线都没有规律，是无规则的．因此固体颗粒在不停地做无规则的运动．实验结论：布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动.

图3 小碳粒B的不同时刻的位置图

图4 小碳粒C的不同时刻的位置图

(6)解释布朗运动产生的原因

固体颗粒也是宏观世界中的物体，要找到物体运动状态改变的原因，我们首先要对物体进行受力分析．可知：水分子对固体颗粒的撞击是固体颗粒运动状态变化的原因．固体颗粒做无规则运动说明水分子对固体颗粒的撞击无规则，通过观测与逻辑推理，得出水分子做无规则的运动．

(7)观察布朗运动发现小颗粒的布朗运动要比大颗粒的运动明显，解释原理

悬浮在液体中的固体小颗粒不断地受到液体分子的撞击，固体小颗粒越小，在某一瞬间跟它相撞的液体分子数越少，撞击作用的不平衡性就表现得越明显．如果悬浮在液体中的固体小颗粒很大，在某一瞬间跟它相撞的液体分子数很多，各个方向的撞击作用接近平衡，这时就很难观察到布朗运动了．

(8)实验：温度越高，布朗运动越剧烈

利用数码显微镜的录像功能，现场录制10 s左右的常温下布朗运动现象，在屏幕左边播放，同时在屏幕右边打开数据采集窗口．用酒精灯对悬浊液进行加热，对比观察加热前后布朗运动剧烈程度的变化．

综合以上的分析，可见布朗运动不是固体分子的运动，也不是液体分子的运动，而是悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，它的无规则运动反映了液体分子的无规则运动．而且温度越高布朗运动越剧烈．悬浮颗粒越小，布朗运动越明显．

3 实验效果评价

(1)实验时将数码显微镜连接电脑并投影，全班学生可以很清楚地观察到实验现象，这就使得实验由学生单个观察转换为学生在课堂上实时共同观察，并且使得课堂上教师进行实时分析讲解成为可能，这不仅使实验更加直观化、普及化，而且极大地激发了学生的学习兴趣，提高了课堂效率，增强了课堂教学效果.

(2)对布朗运动的研究对象的分析，让学生突破难点，认识到：布朗运动不是固体分子的运动，也不是液体分子的运动，而是固体小碳粒的运动，它间接反映液体分子无规则运动的特点.

(3)利用Tracker软件追踪小碳粒的运动情况，可以很直观地说明小碳粒在做无规则的运动．

通过实验改进，使学生能更容易理解布朗运动及其产生原因，有助于学生建立正确的物质观，同时在教学过程中也关注了学生科学思维和科学探究能力的培养．