Использование цифрового микроскопа для проведения лабораторной работы по изучению броуновского движения

The using of a digital microscope for the laboratory work on the Brownian motion

The article discussed the problems of implementation in the learning process of modern digital technologies, which provide teacher of physics with powerful tools to fulfil the basic requirements to experiment. This article provides an example of using information technologies and new digital equipment for the laboratory work on the Brownian motion.

Лабораторную работу по изучению явления броуновского движения можно проводить как иллюстративную, после объяснения учителем и выполнения им соответствующего демонстрационного эксперимента, или как исследовательскую работу самих учащихся, в ходе выполнения которой они приходят к выводам, подтверждающим формулу Эйнштейна-Смолуховского. При этом учитель организует деятельность учащихся таким образом, чтобы они проходили все этапы процесса исследования: постановка задачи – выдвижение гипотезы – выбор экспериментальных средств (приборов) – планирование эксперимента – выполнение эксперимента – анализ результатов – выводы.

Инструкции по выполнению лабораторных работ обычно содержатся в учебниках физики, однако данная работа должна содержать свою инструкцию, а также инструкцию по настройке измерительных функций микроскопа. В зависимости от дидактической цели выполнения работы, от подготовленности учащихся, уровня формируемых у них умений учитель либо предлагает пользоваться готовой инструкцией, либо вырабатывает план выполнения работы совместно с учащимися, либо предлагает им сделать это самостоятельно.

Цель работы: изучение броуновского движения. Определение среднего броуновского смещения, сравнение с теоретическими данными.

Для проведения работы использовался микроскоп биологический «Микромед С-11» с увеличением 80-800 крат. Но можно использовать другие типы микроскопов с увеличением не менее 600 крат. Устройство и принцип действия светового микроскопа подробно описаны в [1].

В работе использовалась цветная окулярная видеокамера «Electronic Eyepiece» зарубежного производства. Камера имеет подключение к компьютеру через USB-порт. Следует отметить, что увеличение окулярной камеры не обязательно совпадает с увеличением окуляра микроскопа и, таким образом, увеличение в целом не соответствует его паспортным данным. К камере прилагается программное обеспечение «Ulead Photo Explor 7.0SE». Можно воспользоваться стандартным приложением «Windows» для работы с видеофайлами «Movie Maker». Для работы с данной видеокамерой компьютер должен обладать следующими параметрами: Windows 98/2000/XP; 64 Мб ОЗУ; 100 Мб ПЗУ, 735 МГц процессор. Для выполнения теоретических расчетов желательно, чтобы на компьютере была установлена программа «Microsoft Excel».

Для получения раствора, содержащего броуновские частицы, существует несколько способов, но в работе использовался препарат, состоящий из нескольких капель молока, растворенных в 1 мл воды [2].

Микроскоп, снабженный видеокамерой (видеоокуляром), подключенной к компьютеру, позволяет наблюдать и фиксировать перемещение частиц. С помощью проектора за перемещением частиц могут наблюдать все учащиеся. Для удобства наблюдения в поле зрения должно быть одновременно видно не более нескольких частиц [3].

Видеокамера в сочетании с компьютером значительно облегчают процедуру наблюдения. Из находящихся в поле зрения частиц выбирается одна (отличимая, например, по размеру). Через равные промежутки времени, засекаемые с помощью секундомера (например, 30 с), делается снимок изображения. Таких снимков предлагается сделать не менее десяти, обозначая их в хронологическом порядке.

На полученных снимках измеряется смещение броуновской частицы относительно начального положения в условных единицах (рис. 1-3). Результаты заносятся в таблицу.

На масштабно-координатной бумаге строится зависимость AX=f(t1/2). Построенный по экспериментальным данным график сравнивается с графиком, построенным по теоретическим расчетам, приведенным ниже.

Для развития навыков работы с информационной техникой у учащихся, предлагается производить обработку результатов опыта с помощью персонального компьютера. Для этого можно использовать программу «Microsoft Excel».

С.В. Лозовенко. Использование цифрового микроскопа для проведения лабораторной работы по изучению броунов- ского движения

Рис. 1                                    Рис 2.                                    Рис. 3

Рассмотрим расчетную формулу:

где: k=1,38*10-23 Дж/К, T=300 К, r~10-7 м, η=10-3 кг/мс.

Таким образом первый множитель в формуле 2,1*10-6 м/с1/2.

При открытии программы «Microsoft Excel» на экране появляется таблица.

Следует обратить внимание на то, что все формулы , вводимые в ячейки, записываются латинским шрифтом.

• -    Первый столбец (A) можно озаглавить « t » – время, через которое фиксируется видеокамерой положение наблюдаемой частицы, относительно начала отсчета. Так как серия измерений производится через одинаковые интервалы времени, то при заполнении столбца A целесообразно воспользоваться возможностями программы создавать арифметическую прогрессию. Для этого в ячейку A2 вводят численное значение t 1 (например, 30 с), а в ячейку A3 – 60 с. Затем надо выделить обе ячейки (снизу вверх) и протянуть маркер заполнения диапазона A2:A3 вниз до ячейки со значением времени последнего опыта.

• -    Во втором столбце таблицы (B), который можно озаглавить «t^1/2», в ячейку B2 вводят формулу « =A2^(1/2) ». Эта формула отображается в строке формул вверху экрана (рис. 4). Выделяют B2 и маркером заполнения протягивают ее вниз.

• -    В третьем столбце (с), который озаглавим « const » в ячейку C2 вводят численное значение первого множителя формулы (7) из главы 2, равного 2,1*10^-6. Надо отметить, что стандартный вид числа в программе «Microsoft Excel» выглядит так: 2,1E-6 (рис. 5).

• -    В четвертом столбце (D), обозначенным «ΔX », будет произведен расчет среднего смещения броуновской частицы. Для этого в ячейке D2 набирается формула « =B2*C2 », что отображается в строке формул (рис. 5).

На масштабно-координатной бумаге по результатам теоретического расчета строится график зависимости ΔX=f(t1/2) (рис.6), который следует сравнить с экспериментальным графиком.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6