布朗运动的教学建议.doc

超越教材、凸显本质

——布朗运动的教学建议

关键词：布朗运动无规则运动高中物理教材

摘要：布朗运动反映了分子的无规则运动，证明了分子的存在，是高中物理热学部分的重要内容。一百年来物理学家不断的完善对布朗运动的研究。然而在现行的高中物理教材的编写上都存在一定的局限，本文通过分析布朗运动实质，对教学过程提出建设性意见，明确指出布朗运动的实质是无规则的随机涨落。

正文：

图a英国植物学家罗伯特·布朗在1828年和1829年的《哲学》杂志上发表了两篇文章，描述自己在1827年夏天在显微镜下观察到花粉颗粒在液体中的不停顿的运动。因此将悬浮在液体中的小颗粒的不停的运动称为布朗运动，但布朗却没有给出合理的解释。其后的一百年间爱因斯坦、佩兰等物理学家从理论和实验的角度解释布朗运动的形成原因，揭开了分子的无规则运动的面纱，还有力的证实了分子的存在。所以布朗运动在高中物理的热学的教学中占有重要的地位。然而在现行的高中物理教材（普通高中课程标准实验教材《物理选修3—3》人民教育出版社，以下简称教材）中对布朗运动的一节的编写中却存在一些欠妥的地方

图a

一、教材的表述

图b在教材的第六页有这样一段表述：“在显微镜下追踪一个小炭粒的运动，每隔30s把炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来，就得到类似图7.2-5（如图a所示)所示的微粒运动的位置连线。可以看出，微粒的运动是无规则的。”教材在第七页的“说一说”（图b）中明确指出“法国物理学家佩兰在1908年研究布朗运动是对三个运动微粒位置变化的真实记录。

图b

二、问题所在

在第六页的实验中说要“追踪一个小炭粒的运动，就得到一个类似的图”，这句话有失严谨且又容易让人费解，描述的图是追踪一个小炭粒先后进行了三次观察的结果还是一次观察三个小炭粒得到的位置连线图。虽然后面的在教材的第7页中的说一说中指出：“法国物理学家佩兰在1908年研究布朗运动是对三个运动微粒位置变化的真实记录。”似乎回答了上面的问题，但又带来了科学上的问题。

首先从图a中我们明显的看出三个微粒有明显的各自运动的区域，这与布朗运动的无规则性相矛盾。图中给出的是每隔30s小炭粒的位置连线，所以通过图中位置坐标的数目可以大概确定观察时间在13分钟以上，在这么长的时间内小炭粒都在自己的区域内运动，没有进入其它地方运动，而布朗运动是液体分子对布朗微粒的无规则撞击形成的，布朗运动具有无规则性。所以这运动的边界清晰和运动的无规则性相互矛盾。

其次布朗微粒的直径大小约为10-7m，在光学显微镜下会有衍射效应，无法准确的区分出三个微粒各自的差异，也就无法定义三个微粒，更无法追踪确定的三个颗粒

再次这个实验图不是佩兰一人完成而是佩兰和他的学生共同完成的，学生极易认为佩兰只是绘制了一张记录图而已，期间科学家工作的艰辛没有表现出来。

布朗运动的意义不仅间接的证明了分子运动的无规则的运动，更主要的是证明了分子的真实存在。

三、真实的实验

1908年，佩兰开始研究布朗运动。佩兰最初使用普通的阿贝显微镜观察布朗运动，之后，他和他的学生又利用超倍显微镜观察到了尺度更小的胶体粒子的布朗运动。佩兰在目镜的焦面上放一块不透明的箔片，用细针在箔片上扎一小孔，把视场限制在这个小孔里，再用肉眼经显微镜观察，这样就可以观察进入视野的微粒的运动。将观察的视野分为三个区域，每个区域内只出现一个微粒（这是可以做到的，根据爱因斯坦的理论可以计算出微粒运动的平均自有程，从而确定视野范围），他每隔30s用相机记录在每个区域内布朗微粒出现的位置出现的位置，然后把时间相邻的点用直线连接，从而绘制了这张图。实际上这张图反应的是布朗微粒出现的概率，符合随机理论。

四、教学建议

图c（1）从以上分析教材所给的插图给学生带来一定的误导，建议去掉图a，改用图c。注明：“在显微镜下追踪一个小炭粒的运动，每隔3s把炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来，就得到图所示的微粒运动的位置连线，图c所示。

图c

只给学生一个布朗微粒的位置连线简单明了。

（2）拓展说一说

从发现布朗运动到完整的建立布朗运动的解释，经历了近100年，期间大量的科学家对此付出了艰辛的努力。教材在第七页设置了“说一说”栏目旨在提高学生对布朗运动的认识，其原文如图d所示。这样的过于笼统。建议将说一说的内容改为如下：

图d1905年爱因斯坦对布朗运动进行了深入的研究，发现布朗微粒的运动遵循统计规律，1908年法国物理学家（J.B.Perrin）佩兰和他的学生经过大量的实验观测，发现微粒的运动符合爱因斯坦等物理学家的理论分析。并且绘制了图d，图d是每隔30秒所记录下来的布朗粒子位置的连线。根据这个实验事实，你能不能否定布朗运动是由外界因素（例如振动，对流）引起的说法。

图d

经过这样