張泓筠 朱丹

摘? ?要：以液體為研究對象，混合等體積的不同液體（以水和酒精為例），研究兩者體積的微小變化，并將這樣的微小變化予以放大。通過前后對比直觀顯示分子間存在間隙，橫向?qū)Ρ蕊@示不同分子間的間隙不一樣。

關(guān)鍵詞：液體;體積;微小變化;簡單儀器

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0051-3

1? ? 問題的提出

分子永不停歇地做無規(guī)則的熱運動、分子之間有間隙是物理教學(xué)中的基本問題之一[1]。教學(xué)中需要通過實驗直觀展示出來。微觀分子的間隙，宏觀累積結(jié)果需要通過直觀放大增強教學(xué)效果。

既然分子運動屬于熱運動，分子的屬性必然與溫度有關(guān)，溫度的高低決定了分子運動的快慢、影響分子之間的空隙[2，3]。教材及相關(guān)資料中用類似量筒的分子間隙演示器實驗效果也不錯，但實驗現(xiàn)象的直觀性還有待進一步提高，實驗裝置及方法的功能性也有待加強[4]。為此我們采用放大法設(shè)計了一套簡易方法，效果更為明顯。

2? ? 理論依據(jù)

（1）分子動理論相關(guān)內(nèi)容：組成物質(zhì)的分子之間有空隙，不同物質(zhì)的分子之間間隙不同;熱脹冷縮，溫度是影響分子之間空隙大小的因素;相互擴散的物體互相進入對方，且溫度不同擴散速度不同。

（2）氣體等溫變化。

（3）教學(xué)忠于實驗事實，以現(xiàn)象為中心，設(shè)計實驗，放大現(xiàn)象，增強直觀效果。

3? ? 設(shè)計方法分析

通常而言，兩種液體混合，即使能夠相互溶解、且相互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如果液體本身體積變化小，裝置沒有采取放大措施的話，微小的體積變化難以觀察清楚，因而在增大液體體積的情況下，應(yīng)同時采取放大措施。除此以外，通過封閉與液體相連的氣體的體積的連鎖變化，進一步直觀顯示體積的變化過程。

用粗大試管增大混合液體體量，通過塞子上的玻璃管液位高低變化放大混合后的體積變化，然后通過U形管中的紅墨水封閉與液體相連的氣體，氣體體積隨液體體積變化，從而引起U形管中出現(xiàn)液面差（壓強差），進一步直觀體現(xiàn)體積變化效果[如圖1（a）]。

4? ? 器材及裝置圖

玻璃管（5 mm×7 mm，L=200 mm），軟膠塞，長試管（32 mm×200 mm），乳膠管（5 mm×7 mm），（玻璃）U形管，滴管，鐵架臺，玻璃杯，注射器（50 mL），酒精噴燈，打孔器，標(biāo)簽條（2 mm×30 mm），酒精（密度ρ■=0.79 g/cm3），蒸餾水（密度ρ■=1.0 g/cm3），植物油（密度ρ■=0.9 g/cm3），（飽和）食鹽水。

兩種混合的液體理論上要求相互溶解且密度差別較小，這樣在同體積混合的情況下，體積的變化量相對要大一些，考慮到取材方便，用酒精和水已足以能夠反映問題。

大容器用一根粗試管代替，管口上用套有長玻璃管（5 mm×7 mm）的軟膠塞封住，玻璃管通過乳膠管與U形管左側(cè)相連[如圖1（a）]。

5? ? 操作方法

5.1? ? 顯示分子間隙

（1）取一根長200 mm的直玻璃管（5 mm×

7 mm），并將其套入已打孔的軟膠塞，玻璃管位于塞子下部分管口處用酒精噴燈施加彎曲加工。

（2）檢查裝置氣密性，用手掌握住試管主體，將玻璃管口插入水中，看是否有氣泡冒出。

（3）在試管中裝入容積一半左右的水，并用標(biāo)簽條標(biāo)記水位，然后用滴管加入2 mL植物油，用于初態(tài)時隔離水和酒精（植物油的密度介于水和酒精之間）。

（4）將塞子塞上試管口，然后用注射器通過玻璃管口灌注酒精，酒精通過玻璃管從下部彎曲處噴出，沿試管內(nèi)壁慢慢進入試管，浮于植物油表面，直到酒精液面接近玻璃管口處。

（5）玻璃管口套上乳膠管，連接U形管（管中事先滴注紅墨水），通過注射器調(diào)整U形管中的紅墨水量，保持左右兩側(cè)液面高度一致;然后用止水夾夾住乳膠管，要求密封;整個裝置豎直固定于鐵架臺上，并用粘附性標(biāo)簽條定位豎直玻璃管中的液位[如圖1（a）]。

（6）混合酒精與水，將試管沿塞子上的乳膠管連接處倒過來，反復(fù)幾次，讓兩液體充分混合溶解，然后重新放回原位，觀察液位的變化，此時液位明顯下降，并用另一標(biāo)簽條定位下降后的液位，比較前后液位的變化[如圖1（b）]，發(fā)現(xiàn)h1

（7）將水換成同體積的食鹽水，使用同體積的酒精（玻璃管中初始液位高度相同），用上述同樣方法操作，用標(biāo)簽條標(biāo)記飽和食鹽水和酒精混合后豎直玻璃管中的液位，發(fā)現(xiàn)液位居于上述兩液位之間，即h1

說明：兩種不同液體的混合，分子間的作用力不同導(dǎo)致相互擴散、溶解，打破了原來規(guī)則相的周期排列，混亂程度增加，熵亦增加。

5.2? ? 顯示分子間隙受溫度的影響

（1）按圖2（a）組裝（軟膠塞上左側(cè)的玻璃管上的乳膠管用止水夾夾住密封），采用上述（3）（4）（5）步驟灌注酒精使玻璃管中液位達(dá)到玻璃管中部位置，用標(biāo)簽條作好標(biāo)記，并與玻璃杯一起安置于鐵架臺上[如圖2（a）]。調(diào)整U形管兩邊液位高度相同。

（2）用溫水預(yù)熱玻璃杯以免急劇升溫破裂，然后加入高溫水（<80 ℃）把試管包埋起來，酒精被加熱升溫，玻璃管中液位不斷上升[如圖2（b）]。目前沒有足夠證據(jù)說明分子本身大小受溫度影響，只能說明酒精分子因溫度升高振動幅度增大，從而間隙增大。同時，U形管兩側(cè)紅墨水高度差（Δh3）出現(xiàn)，并隨溫度升高不斷增大。

（3）去掉玻璃杯，讓試管恢復(fù)室溫，取下軟膠塞左側(cè)乳膠管上的止水夾，迅速插入滴管，用滴管滴加染色的酒精（此處仍然用同密度的酒精染色，避免因重力的作用干擾擴散快慢），可以觀察到染色酒精在酒精中的擴散過程[如圖2（c）]。另外，也可通過玻璃杯水浴加熱觀察不同溫度對擴散的影響，手機分別拍視頻，然后同時放映對比。

6? ? 討論

盡管“溶解與擴散被認(rèn)為是分子之間有間隙的證據(jù)”存在爭議，有些作者認(rèn)為熱脹冷縮和物態(tài)變化才是真正體現(xiàn)分子間隙的有力證據(jù)[5]。但教學(xué)上需要一定深度的抽象理論思考才能真正體會，微小的變化直觀性不夠。通常而言，人們認(rèn)為液體的溶解與擴散歸結(jié)于不同物質(zhì)分子之間的作用力不同，水與酒精同屬于極性分子，兩者可以任意比例相溶，假如混合后體積不變的話，不能肯定間隙的存在，而問題在于混合后體積變小了，因而應(yīng)該可以肯定存在間隙，這是本設(shè)計的基礎(chǔ)。同時我們認(rèn)為，溶解與擴散現(xiàn)象（一種物質(zhì)的分子進入另一種物質(zhì)）只能是分子之間存在間隙的充分條件，而非必要條件，即如果兩種不同液體分子不能溶解擴散的話并不能否定分子間隙的存在。

參考文獻：

[1]楊文彬，趙丙勛，李權(quán).高中物理教材知識資料包[M].北京：北京教育出版社，2005：162-163.

[2]劉慶云.讓轉(zhuǎn)換與模型走進分子熱運動課堂[J]. 物理教學(xué)探討，2013，31（09）：25-27.

[3]許弟余.氣體分子運動論→氣體動理論[J].物理教學(xué)探討，2003，21（04）：48.

[4]邵俊，喬啟源，儲懷祝.對演示分子間存在空隙的實驗改進[J].物理實驗，2006（10）：31.

[5]王之鵬.用擴散現(xiàn)象說明分子間存在著間隙是一種誤導(dǎo)[J].中學(xué)物理（初中版），1997（06）：24-25.

（欄目編輯? ? 王柏廬）