高中物理課本[人教版(必修加選修)]中敘述晶體導熱各向異性,是舉這樣一個實驗來說明的:在云母片上涂上很薄一層石蠟,然后用燒熱的鋼針的針尖接觸云母片,接觸點周圍的石蠟就熔化了,而熔化了的石蠟成橢圓形,這表明云母晶體在不同方向導熱性是不同的。首先,必須指出,作為熱源的鋼針一定要接觸云母片不涂蠟的一面。課本上此處沒有加以說明,這是一個疏忽。而大學教材[如《熱學》]都寫明鋼針接觸云母片涂蠟層的反面。
這個實驗看似簡單,但要想成功也要注意一些細節(jié),現(xiàn)簡述如下,以供同仁參考。
1.鋼針熱容量太小,難以熔解云母片上的石蠟層,對于玻璃板下的石蠟更是難以熔解。最好的辦法是用40mm左右的鐵釘,用尖嘴鉗夾住放在酒精燈上對釘的尖端燒紅,再將釘的尖端向上,將云母片水平放置在尖端上(涂蠟層向上)這就能使石蠟熔化成橢圓形。
2.為了使蠟面涂成均勻薄層,可用四氯化碳溶液將石蠟溶解,用脫脂棉將溶液均勻涂在云母片上,放在陽光下備用。
3.作為對照用的玻璃板往往因其厚度太大(一般在2.5mm以上),燒紅的鐵釘在涂蠟層的反面接觸,只能使蠟熔化成一個點,看不出形狀。若把鐵釘在玻璃板涂蠟層上接觸,則不符合與云母片作對照的要求。對此,可利用小號培養(yǎng)皿(外徑60mm)來做實驗,它的玻璃只有1.4mm厚,鐵釘在涂蠟層反面接觸,可以使蠟熔化形成有一定半徑的圓形。
在經過多次這樣的實驗,我們發(fā)現(xiàn)熔化的石蠟形成的橢圓形狀與課本上的橢圓形狀相同,但與2000年人教版教材(實驗修訂本)不同。測量了多次實驗結果,橢圓的離心率e的平均值是0.56,而該教材上畫的橢圓離心率e約為0.81。
那么石蠟熔化的橢圓究竟是怎樣的形狀呢?我們查閱有關地質學的書籍,了解了云母晶體結構上的特點。云母晶體在沿薄層方向是基本對稱的六邊形,在某個方向上略有不同的結構。如圖1中畫斜線部分所示。因此云母片沿各個方向的熱傳導性能略有差異,熔化的石蠟形成橢圓的長軸和短軸的差異是較小的,即橢圓的離心率e不會很大。
(欄目編輯王柏廬)