注重实验设计 促进学生认识分子力

罗玉芹

(江苏省淮阴中学，江苏 淮安 223002 )

分子热运动理论表明：分子都在做永不停息的无规则运动，从动力学角度而言，这肯定与分子之间的作用力相关。分子处于微观世界，学生没有直观的体验，因此关于分子力的实验往往需要采用转化的思想，将微观层面的分子力在宏观层面展示出来，以加深学生的理解。

1 铺垫实验：酒精和水的混合实验

认识分子力之前，要引导学生认识到分子间隙的存在，这是一个铺垫性的认识，正是分子之间存在间隙，那么大量的分子要能组合成为一个物体，就必然要求分子之间存在力的作用。

实验器材：玻璃管一根(长度约为1m，内径为1cm )、橡皮塞、酒精和掺有红色染料的水各30mL、记号笔。

实验过程：将水和酒精倒入玻璃管中，用记号笔标记液面的位置，再用橡皮塞封住玻璃管，上下倒置数次让液体充分混合，正立静置一段时间后观察液面的位置。

实验现象：液面明显低于初始位置，液体混合后的总体积明显小于混合前体积之和，这是什么原因呢？这将使学生意识到分子间隙的存在。

教学意图：分子间隙的存在表明分子之间存在距离，这是与分子力有着重要关联的物理量，因此在认识分子力之前，通过铺垫性的实验，让学生具有必要的知识储备。

2 直观实验：铅块相互吸附的实验

要让学生感受到分子力的存在，必须要用最直观的实验来展示。教师要注意引导学生对比实验现象，由此强化他们对分子力以及相关特点的感知。在实验条件允许的情况下，可将实验器材交给学生，让学生在自主操作中进行体会。

实验器材：带有挂钩的圆柱体铅块两块、铁架台、重锤。

实验过程：先让学生检查铅块，确认不是磁铁，然后让学生将铅块压在一起，由于接触面不够平整，因此很难产生吸引现象。教师指导学生用小刀将铅块的端面削平并刮光，然后将两个平整度较好的端面压在一起，学生发现铅块能够吸附在一起，教师进一步安排学生将重锤悬挂在铅块的下方(图1)，学生惊异地发现：重锤挂上去后，铅块还是吸附在一起，有兴趣的学生还可以增加重锤的个数，比一比谁能够挂更多的重物。

图1

实验现象：将两个铅块打磨平整的端面贴合在一起能够产生吸引力，表明固体分子间的引力较大。

教学意图：在实际教学中，应该引导学生从比较的角度着手，让学生在自主操作中体会如果平整度欠佳，铅块将无法吸附到一起，只有平整度较好时，铅块分子之间的引力才能有效体现出来。自主操作的实验往往能够给学生更加直观的体验，他们能够零距离地进行观察，而且在自己用手按压或掰开铅块的过程中，他们能够切实感受到分子力的存在，这一点是我们力推学生实验的出发点。不少教师担心学生实验失败率较高，会耽误课堂教学的进度，笔者认为这种担心是多余的，实验的成功或失败对学生来讲都是宝贵的成长经历。

3 进阶实验：用弹簧测力计测量把玻璃板拉离水面的力

铅块实验能让学生直观地感受到分子力的存在，不少学生也从中了解到分子距离对分子力可能产生影响。教师可进一步开展实验，比如用弹簧测力计测量把玻璃板拉离水面所需的力，从定性到定量，这是物理学习的常规顺序，也是学生认知和理解分子力的可靠途径。

实验器材：有机玻璃(厚度为5mm，边长为10cm)、水槽、弹簧测力计、细线等。

实验过程：用细线固定住玻璃板，使其平面与水平面平行，用细线将其向上吊起，将细线的上端系成绳套，用弹簧测力计的挂钩勾住绳套，使玻璃板处于静止状态，读出弹簧测力计此时的读数，这就是玻璃板所受的重力。然后将玻璃杯提至盛有清水的水槽上方并缓慢下降，当玻璃板的下表面与水面恰好接触时，手提着弹簧测力计缓慢上拉玻璃板，观察弹簧测力计示数的变化。

实验现象：学生在实验中会产生深刻的体会，为什么玻璃板悬空放置和与水接触后受力有如此大的区别？从受力分析的角度来讲，水对玻璃板有向下的拉力，可以证明水与玻璃之间存在分子力的作用。

教学意图：相比于铅块相互吸附的实验，弹簧测力计读数的差别能够给学生有较为直观的认识，通过数据来说话可以让学生更加信服，学生用手提着弹簧测力计，能够感受到分子之间的引力，这样的实验体验对学生的概念理解助力良多。

4 随堂实验：探索胶水的微观机理

分子力虽然是一个微观层面的作用力，但是其宏观表现在生活中却有着广泛的应用。教师在指导学生分析相关情境时要善于通过随堂实验激活学生的思维，引导学生用物理原理来进行分析。

比如有学生提出既然分子之间存在吸引力，那么让两个物体靠近之后，能不能靠着彼此之间的分子引力吸附在一起呢？这个问题涉及分子力与距离之间关系的讨论，如图2所示当分子之间的距离相距较远时，它们之间的分子力非常小，几乎可以忽略，只有当分子间距离小到一定程度之后才能产生效果。而且在分析上述问题时，学生还容易产生这样的错误认识：将两个物体靠近单纯进行按压后无法将其融合在一起，这是因为分子之间存在斥力的影响。这种观点也是错误的，产生这一现象的原因还是分子之间的间隙太大，分子力无法发生作用。从图2中也可以发现：在分子间距离较小的情形下，分子力如果要发挥作用，也是先体现为引力效果，只有当分子之间的距离小到一定程度后，才会体现为斥力。那么是什么原因导致物体即便靠近也无法出现分子引力呢？比如碎成两块的玻璃，即便能够严丝合缝地靠在一起，也不能实现“破镜重圆”的效果，原因就在于在微观层面玻璃碎裂处依然有很大距离，无法让分子力发生作用。

图2

实验器材：一张纸、清水。

实验过程：将纸按压在课桌的侧面，松手之后，纸张飘落，这表明纸张与课桌之间的分子力并没有产生效果；在纸上沾一些水，再次将其按压在课桌的侧面，松手后纸张没有飘落；一段时间后水蒸发干了，纸张飘落。

实验效果：没有沾水时，纸张和课桌侧面之间有较大距离，很难达到分子力作用的范围；沾了水之后，水的流动性可以有效填补分子之间的间隙，从而缩短分子之间的距离，进而让分子力产生效用；水干了之后，分子之间的间隙增大，且因为水蒸发过程中表面张力的影响，纸张不同位置收缩程度不同，反而在一定程度上增大了分子之间的间隙，这更让纸张与桌面之间无法紧密贴合，分子力的影响更无从谈起。

教学意图：认知和理解物理规律必须要让学生结合实践性较强的物理情境进行分析，上述实验情境其实就是在分析胶水粘合的机理，胶水利用流动性拉近分子与分子之间的距离，让分子引力发生作用，并最终凝固让分子力持久保留下去。