用激光散射演示布朗运动

用激光散射演示布朗运动

   我们在学习热学方面中，知道布朗运动是指悬浮在气体或液体中的微粒作永不停止的,无秩序的运动，是分子热学运动最形象的例证。

早在19世纪，很多科学家验证布朗运动，都是用到放大倍数600倍的显微镜观察悬浮在液体中的花粉，从而描绘出布朗运动的图像。用烟灯照射，通过显微镜可以在白屏幕上观察，但用显微镜观察每次只能一个人，而用烟灯，价格昂贵，用途不广。近期有人试验用激光散射来观察布朗运动，这个演示实验的装置十分简单，不需要特别的仪器，只要用到平日所用的激光笔就可以实现，下面是实验过程：

一、实验材料：

激光笔、水、牛奶、扁形5cmx2cmx5cm玻璃容器

二、实验探究过程：

    如上图La为激光笔位置，P为溶液，S为观察布朗运动的白屏。P-La距离为10cm,P-S距离为2m左右。

    首先，往容器里倒入3/4清水，用激光笔照射，可以在白屏上观察到一个点，观察不到布朗运动的状况。

    然后，往容器里滴入1-2滴的纯牛奶溶液，静置15-25min，用激光笔照射牛奶混液，此时在白屏上可以观察到很多颗粒一直在做不规则的运动。

再者，把冷水换成沸水，重复以上两个实验步骤，可以在白屏上看到分子运动得越来越剧烈。

注意：因为个人手持激光笔，手动情况比较明显，为了固定激光笔，使现象更加的固定在一个范围内运动，可以借助铁架台来固定（如上图）

三、实验原理

1、P盛有牛奶很稀的稀溶液并静止15-25min左右,开启激光笔，使激光光束通过牛奶稀溶液，由于牛奶分子和其周围水的折射率不同，故产生散射。因激光较强，仍有直射光线通过散射光。

2、当激光笔通过清水时为什么观察不到布朗运动？

 液体内无规则运动的分子不断地从四面八方冲击悬浮的微粒。通常情况下，这些冲击力的平均值处处相等，相互平衡，水分子相对比较小，因而观察不到布朗运动。

3、往清水里滴入1-2滴牛奶之后，为什么可以观察到很多运动的悬浮粒子？

因为牛奶分子比水分子大，两者相遇在同一容器里，会发生相互碰撞，大分子撞击小分子，运动比较明显。此时，激光笔通过溶液可以把此现象反映在白屏上，可以观察到白屏处周围不断运动着许多闪耀的光斑---布朗运动的图像。这些布朗运动图像---闪耀的光斑有几个特点：散射角较小的光斑，其面积越大，面积就小，随时间变化闪耀较快。当温度越高，布朗运动越剧烈；微粒越小，布朗运动越明显。

   注意：光斑的闪耀是布朗粒子运动所引起的，而不是布朗粒子的运动轨迹。我们之所以能观察到的闪耀的光斑图像会无规则地发生变化，正是由于布朗粒子的不断运动的结果。

四、体会与反思

1、要成功做好这个实验，首先要复习有关热学、布朗运动的知识，只有了解了相关的理论知识，实践起来才会得心应手。

2、制作扁形5cmx2cmx5cm玻璃容器，使用有机玻璃板来制作，对于规格是比较紧密的，用刀来锯割的时候要注意安全；用热熔胶来粘合时又要注意每块玻璃板粘合的缝隙，使用注意安全。

3、实验操作过程中，失败了很多次，牛奶溶液的量是实验成功的关键，所以一定要把握好，同时也可以尝试用藤黄或国画色藤黄颜料等稀溶液来演示这个实验。

4、对于为什么通过激光笔照射溶液可以观察到很多悬浮的粒子在运动，有同学提议用到分子间的冲击力来解析这个现象，我还不明确，还请读者给予建议，谢谢。

5、实验的探索是永无止境的，爱科学，爱探索。