《用油膜法估測(cè)分子的大小》實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思
對(duì)于物質(zhì)分子大小的測(cè)量，利用現(xiàn)代技術(shù)，像離子顯微鏡或掃描隧道顯微鏡已經(jīng)能觀察到物質(zhì)表面的分子。但是，這畢竟離中學(xué)物理太遠(yuǎn)，高中物理課本中新設(shè)置的“用油膜法估測(cè)分子的大小”學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)思想十分巧妙，它用宏觀量的測(cè)量來(lái)估測(cè)微觀量的數(shù)值，不僅彌補(bǔ)了這一遺憾，而且有利于學(xué)生的科學(xué)思維方法的培養(yǎng)；有利于學(xué)生深化對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、技巧，有利于學(xué)生的良好素質(zhì)的培養(yǎng)。因此，應(yīng)該充分利用這一教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想，提出各種假設(shè)、理清實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，把握住關(guān)鍵步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能的同時(shí)，提高科學(xué)探究的能力。下面是我在“用油膜法估測(cè)分子的大小”學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的幾點(diǎn)做法和體會(huì)。
首先，要?jiǎng)?chuàng)設(shè)物理情景，弄清楚學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。油膜法估測(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)在于它的巧妙構(gòu)思，但分子畢竟太渺小，顯得很抽象，我首先引導(dǎo)學(xué)生在宏觀世界建立微觀物理模型，讓他們提出各種假設(shè)、類比，有一同學(xué)提出的“把一筐的乒乓球倒入水中，在水面上散開形成的圖形模擬油酸在水面形成的油膜”，得到同學(xué)的認(rèn)可。這樣的猜想來(lái)自學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，我從不追求其嚴(yán)密的邏輯性，及時(shí)地給予肯定。
這時(shí)，我看時(shí)機(jī)成熟，便把從網(wǎng)上下載的如圖所示的課件，展示給同學(xué)看。實(shí)際上油酸的化學(xué)分子式是C17H33COOH，它的一個(gè)分子可以設(shè)想為兩部分組成：一部分是C17H33，它不受水的吸引；另一部分是COOH，它對(duì)水有很強(qiáng)的親合力。經(jīng)過(guò)酒精稀釋的油酸滴在水面上形成近似圓形的.油膜，酒精溶于水并揮發(fā)后，在水面上形成一層單分子純油酸層，其中C17H33冒出水面，而COOH部分在水中。估算油酸分子的最大長(zhǎng)度只需求出這層油膜的厚度即可。最后再展示我國(guó)科學(xué)家用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子結(jié)構(gòu)排布圖的照片。這樣，學(xué)生建立起來(lái)的物質(zhì)分子的物理模型具體又形象。
這一實(shí)驗(yàn)的另一巧妙構(gòu)思，是利用酒精稀釋油酸，將其配制成1：200的油酸溶液，降低了單位體積內(nèi)的油酸分子含量，再取其中一滴，兩次縮小，減少了油酸的含量，使一滴油酸形成的薄膜面積減小到幾百平方厘米，達(dá)到中學(xué)實(shí)驗(yàn)室可測(cè)水平。最終把微觀量與宏觀量聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)測(cè)定宏觀量來(lái)估測(cè)微觀量的目的。這部分內(nèi)容教學(xué)中以講授為主，學(xué)生還能接受，但在課堂練習(xí)中，要求計(jì)算出一滴酒精油酸溶液中油酸的體積，正確率僅為62.6%，這一方面是因?yàn)閷W(xué)生的運(yùn)算能力比較差，另一方面也暴露了以講授為主的課堂教學(xué)存在著弊病。
其次，要獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案。理清了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，提高了認(rèn)識(shí)，并不意味著實(shí)驗(yàn)一定能成功，操作中還需注意一系列問(wèn)題，否則還是不能很好地完成分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。油膜法估測(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)，在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、操作能力上很有特色。
實(shí)驗(yàn)中，用注射器吸入適量配制成1：200的酒精油酸溶液，向量筒中滴n滴酒精油酸溶液為1ml,以求出一滴酒精油酸溶液的體積。這一步驟，一方面針筒要緩慢推動(dòng)，掌握好力度，另一方面又要細(xì)心計(jì)數(shù)滴數(shù)。但實(shí)際操作中，“緩慢”二字對(duì)部分同學(xué)來(lái)說(shuō)實(shí)在太難，要么推不動(dòng)，要么用力太大，液滴成串流出,我在一旁靜靜地看著，決不在他們面前做示范，心想真要讓他們好好動(dòng)一動(dòng)手。果然，幾個(gè)來(lái)回，動(dòng)作要領(lǐng)已被同學(xué)們掌握。
這一實(shí)驗(yàn)的另一步驟是：用邊長(zhǎng)約為30－40cm的淺盤倒入約2cm深的水。待盆中水靜止后。再小心彈撒爽身粉粉末，我細(xì)心地觀察同學(xué)們彈撒粉末是否均勻，厚薄是否適宜�？粗麄兪褂米⑸淦魑刖凭退崛芤�，然后小心翼翼地控制力度僅使一滴油酸滴入粉末中心處。然而，滴入酒精油酸溶液后形成油酸薄膜的形狀出現(xiàn)了異常情況，油酸薄膜的形狀呈放射星狀，一直裂開到盤子的邊緣，一組、兩組，怎么會(huì)連續(xù)這么多組出現(xiàn)同一狀況呢？由于我準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)非常的順利，面對(duì)這一突發(fā)事件，我不知所措，但很快我就冷靜下來(lái)，“同學(xué)們，咱們來(lái)分析一下出現(xiàn)這一狀況的原因？”聽到我的提議，全班先是靜默，一會(huì)兒就議論開了，“窗戶沒(méi)有關(guān)掉，風(fēng)會(huì)擾動(dòng)油膜穩(wěn)定�！睂�(shí)驗(yàn)前，我提醒關(guān)掉電扇，創(chuàng)造一個(gè)風(fēng)定水靜的環(huán)境。但從窗戶吹進(jìn)的風(fēng)，確實(shí)沒(méi)有考慮到。這一建議，立即被大家采納，一扇扇的窗戶馬上關(guān)掉。“老師，剛才撒放爽身粉時(shí)，我發(fā)現(xiàn)爽身粉結(jié)成塊，會(huì)不會(huì)是變質(zhì)了？”“粉層過(guò)厚、不均勻，可能也會(huì)造成影響？”同學(xué)們你一言我一語(yǔ)議論開了，作為后勤部長(zhǎng)的我，只好更換爽身粉，并吩咐實(shí)驗(yàn)時(shí)爽身粉要輕輕地均勻地撒放，粉層不可過(guò)厚，并鼓勵(lì)他們從頭再來(lái)。這時(shí)我也意識(shí)到造成實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因應(yīng)該是撒放爽身粉的粉層過(guò)厚、且不均勻。
重做實(shí)驗(yàn)時(shí)，盤的邊緣倒出水后所殘留的油酸，會(huì)在水面上形成很薄的油酸層，影響油滴的擴(kuò)散效果。因此，我要求學(xué)生先用脫脂棉醮少量酒精擦干凈，再用清水沖洗，以保持盤子的清潔。這一細(xì)節(jié)的和盤托出，是為了確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
新一輪的實(shí)驗(yàn)又開始了，看著同學(xué)往淺盤中注入清水，耐心等待水面平靜，再在盤中央灑上爽身粉，片刻之后，爽身粉在水面上即擴(kuò)散為均勻的爽身粉薄層，當(dāng)一同學(xué)小心地將注射器中的酒精油酸溶液滴入粉末中心時(shí)，我屏住呼吸觀察，油酸薄膜的液面擴(kuò)散又收縮到穩(wěn)定，在水面上形成近似圓形的油膜。看，他們成功了！另一同學(xué)迅速將有機(jī)玻璃板輕輕蓋到淺盤上，小心地用水彩筆在板上描繪出油酸薄膜的輪廓圖。看著這來(lái)之不易的“研究成果”，同學(xué)們成功的喜悅，溢于言表。
說(shuō)明一下，新一輪實(shí)驗(yàn)的一個(gè)細(xì)節(jié)，爽身粉灑在盤中央，會(huì)在水面上擴(kuò)散為均勻的薄層，也是一同學(xué)的“經(jīng)驗(yàn)”之談，并在全班推廣的。其中道理我也是課后才弄清楚，主要由兩種因素造成：第一，水的表面張力系數(shù)大于油酸；第二，粉粒之間的相互排斥。另外，由于前次實(shí)驗(yàn)中油酸的殘留，會(huì)在水面上形成很薄的油酸層，若將粉散在水面上，而不是前面所述加在水面中央讓其擴(kuò)散，則整個(gè)粉層上會(huì)有殘留油酸間隙，影響了后來(lái)實(shí)驗(yàn)中的油滴擴(kuò)散效果。
最后一點(diǎn)，要注意對(duì)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在油膜法估測(cè)分子大小實(shí)驗(yàn)中，最后為收集數(shù)據(jù)，得出結(jié)論的階段，即把有機(jī)玻璃板蓋在坐標(biāo)紙上，求出油酸薄膜的面積S。根據(jù)計(jì)算出一滴酒精油酸溶液中油酸的體積V，再算出油酸薄膜厚度L＝V/S,為油酸分子的大小。這里的每一步，都不可避免存在著實(shí)驗(yàn)誤差。我嚴(yán)格要求學(xué)生，實(shí)事求是，忠于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；尊重客觀事實(shí)，避免主觀臆斷。
經(jīng)過(guò)不懈地努力，絕大部分學(xué)生都較好地完成了這一實(shí)驗(yàn)，得出了正確結(jié)論�？粗麄兒沽鳑驯车纳碛埃蚁�，此實(shí)驗(yàn)定會(huì)讓他們回味長(zhǎng)久，從內(nèi)心感受成功的快樂(lè)，從而培養(yǎng)不屈不撓、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)探究精神。
盡管“用油膜法估測(cè)分子的大小”學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)過(guò)去幾天了，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的許多問(wèn)題，具有挑戰(zhàn)性，我通過(guò)上網(wǎng)查資料，做實(shí)驗(yàn)，又弄清楚了好幾個(gè)細(xì)節(jié)上的問(wèn)題，比如：“當(dāng)針頭*水面很近，油酸未滴下時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)針尖下方的粉層已被排開，是由于針頭中酒精揮發(fā)所致”“油酸滴下之前，用嘴輕輕把粉層吹開，再滴油酸，油滴擴(kuò)散效果比較好”等等。看來(lái)，被這一探究實(shí)驗(yàn)深深吸引的不僅僅是學(xué)生，還有我自己教學(xué)反思《《用油膜法估測(cè)分子的大小》實(shí)驗(yàn)有感》一文版權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處!