《用油膜法估測分子的大小》實驗教學(xué)反思
對于物質(zhì)分子大小的測量，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，高中物理課本中新設(shè)置的“用油膜法估測分子的大小”學(xué)生分組實驗，設(shè)計思想十分巧妙，它用宏觀量的測量來估測微觀量的數(shù)值，不僅彌補了這一遺憾，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)生深化對微觀世界的認識，提高學(xué)生的實驗技能、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)、理清實驗的設(shè)計思想，把握住關(guān)鍵步驟進行實驗探究，收集實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識與技能的同時，提高科學(xué)探究的能力。下面是我在“用油膜法估測分子的大小”學(xué)生分組實驗教學(xué)中的幾點做法和體會。
首先，要創(chuàng)設(shè)物理情景，弄清楚學(xué)生實驗的設(shè)計思想。油膜法估測分子大小的實驗在于它的巧妙構(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)的認可。這樣的猜想來自學(xué)生的生活經(jīng)驗，我從不追求其嚴密的邏輯性，及時地給予肯定。
這時，我看時機成熟，便把從網(wǎng)上下載的如圖所示的課件，展示給同學(xué)看。實際上油酸的化學(xué)分子式是C17H33COOH，它的一個分子可以設(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，它對水有很強的親合力。經(jīng)過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度只需求出這層油膜的厚度即可。最后再展示我國科學(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)生建立起來的物質(zhì)分子的物理模型具體又形象。
這一實驗的另一巧妙構(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，達到中學(xué)實驗室可測水平。最終把微觀量與宏觀量聯(lián)系起來，實現(xiàn)了通過測定宏觀量來估測微觀量的目的。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%，這一方面是因為學(xué)生的運算能力比較差，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，要獨立進行實驗操作，實施實驗方案。理清了實驗的設(shè)計思想，提高了認識，并不意味著實驗一定能成功，操作中還需注意一系列問題，否則還是不能很好地完成分組實驗的教學(xué)。油膜法估測分子大小的實驗，在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、操作能力上很有特色。
實驗中，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，掌握好力度，另一方面又要細心計數(shù)滴數(shù)。但實際操作中，“緩慢”二字對部分同學(xué)來說實在太難，要么推不動，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一動手。果然，幾個來回，動作要領(lǐng)已被同學(xué)們掌握。
這一實驗的另一步驟是：用邊長約為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，我細心地觀察同學(xué)們彈撒粉末是否均勻，厚薄是否適宜。看著他們使用注射器吸入酒精油酸溶液，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，怎么會連續(xù)這么多組出現(xiàn)同一狀況呢？由于我準備實驗非常的順利，面對這一突發(fā)事件，我不知所措，但很快我就冷靜下來，“同學(xué)們，咱們來分析一下出現(xiàn)這一狀況的原因？”聽到我的提議，全班先是靜默，一會兒就議論開了，“窗戶沒有關(guān)掉，風(fēng)會擾動油膜穩(wěn)定。”實驗前，我提醒關(guān)掉電扇，創(chuàng)造一個風(fēng)定水靜的環(huán)境。但從窗戶吹進的風(fēng)，確實沒有考慮到。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，我發(fā)現(xiàn)爽身粉結(jié)成塊，會不會是變質(zhì)了？”“粉層過厚、不均勻，可能也會造成影響？”同學(xué)們你一言我一語議論開了，作為后勤部長的我，只好更換爽身粉，并吩咐實驗時爽身粉要輕輕地均勻地撒放，粉層不可過厚，并鼓勵他們從頭再來。這時我也意識到造成實驗失敗的主要原因應(yīng)該是撒放爽身粉的粉層過厚、且不均勻。
重做實驗時，盤的邊緣倒出水后所殘留的油酸，會在水面上形成很薄的油酸層，影響油滴的擴散效果。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。這一細節(jié)的和盤托出，是為了確保實驗的順利進行。
新一輪的實驗又開始了，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散為均勻的爽身粉薄層，當一同學(xué)小心地將注射器中的酒精油酸溶液滴入粉末中心時，我屏住呼吸觀察，油酸薄膜的液面擴散又收縮到穩(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。看著這來之不易的“研究成果”，同學(xué)們成功的喜悅，溢于言表。
說明一下，新一輪實驗的一個細節(jié)，爽身粉灑在盤中央，會在水面上擴散為均勻的薄層，也是一同學(xué)的“經(jīng)驗”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，由于前次實驗中油酸的殘留，會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散，則整個粉層上會有殘留油酸間隙，影響了后來實驗中的油滴擴散效果。
最后一點，要注意對學(xué)生科學(xué)態(tài)度的熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在油膜法估測分子大小實驗中，最后為收集數(shù)據(jù)，得出結(jié)論的階段，即把有機玻璃板蓋在坐標紙上，求出油酸薄膜的面積S。根據(jù)計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驗誤差。我嚴格要求學(xué)生，實事求是，忠于實驗數(shù)據(jù)；尊重客觀事實，避免主觀臆斷。
經(jīng)過不懈地努力，絕大部分學(xué)生都較好地完成了這一實驗，得出了正確結(jié)論。看著他們汗流浹背的身影，我想，此實驗定會讓他們回味長久，從內(nèi)心感受成功的快樂，從而培養(yǎng)不屈不撓、求真務(wù)實的科學(xué)探究精神。
盡管“用油膜法估測分子的大小”學(xué)生分組實驗教學(xué)已經(jīng)過去幾天了，實驗中出現(xiàn)的許多問題，具有挑戰(zhàn)性，我通過上網(wǎng)查資料，做實驗，又弄清楚了好幾個細節(jié)上的問題，比如：“當針頭*水面很近，油酸未滴下時，會發(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，油滴擴散效果比較好”等等。看來，被這一探究實驗深深吸引的不僅僅是學(xué)生，還有我自己教學(xué)反思《《用油膜法估測分子的大小》實驗有感》一文版權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載請注明出處!