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摘要：利用精确度为10mg的电子天平，分别测量充满二氧化碳、氢气气体的纸杯在敞口正立和敞口倒立两种情况下的质量变化；通过分析、对比几组实验数据，得出分子不断运动的结论，以及影响分子运动速率的外界因素。
关键词：电子天平；二氧化碳；氢气；气体分子运动；实验探究
文章编号：1005–6629（2015）9–0042–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
为了说明微粒的运动情况，笔者曾设计了“利用氧气、二氧化碳传感器探究微粒运动”的巧妙实验[1]，但很多学校没有手持技术设备，不能进行这样的实验。最近，笔者利用普通中学普遍配备的电子天平，再次设计了探究微粒运动的实验，不仅可以直观地说明微粒的运动性，还反映了实验条件对分子运动快慢的影响，从而帮助学生直观、全面地认识微观粒子运动的基本性质和气体的物理性质。
1 实验原理
麦克斯韦-玻尔兹曼研究了气态物质的运动行为，得出重力场中气态物质的玻尔兹曼分布公式[2]：
3 实验用品
主要有：二氧化碳气体，氢气；电子天平（精确度为10mg，东莞南城长协电子制品厂生产），250mL的一次性纸杯（或塑料瓶），田径秒表（在连续计时的情况下可以多次掐表读秒），硬纸板等。
4 实验过程
实验时的室内气温约为22℃、气压约为1atm。
4.1 利用二氧化碳气体探究微粒运动
4.1.1 实验步骤
（1）取一个250mL的一次性纸杯，在靠近杯口处对称地打8个圆孔（或用电烙铁烧出8个圆孔），孔径约1cm；剪一块比纸杯口径略大的平整的硬纸板（包装衬衣的硬纸板最好），确保硬纸板与纸杯口比较吻合。
（2）校准精确度为10mg的电子天平，再将充满空气的“空”纸杯正放（或倒放）到电子天平上，在纸杯口盖好硬纸板，称其质量约为5.35g，即纸杯（含硬纸板的杯盖）充满常态空气时的质量是5.35g。
（3）用向上排空气法在纸杯里收集一杯二氧化碳气体（在8个圆孔的任意1孔处验满），然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再迅速将纸杯正放在电子天平上进行称量（见图1），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表1-a）。我们发现，纸杯的质量一开始快速减小，大约120s后缓慢减小；直至大约4037s时质量保持在5.35g不变，说明密度大于空气的二氧化碳气体此时已基本上全部逸出纸杯，空气已基本上充满纸杯。
（4）再用向上排空气法在纸杯里收集一杯二氧化碳气体，然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再迅速将纸杯翻转过来倒放在电子天平上进行称量（见图2），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表1-b）。我们发现纸杯质量减小的速率明显大于正立放置时；大约118s时质量保持在5.35g不变，说明二氧化碳气体此时已基本上全部逸出纸杯，密度小于二氧化碳气体的空气已基本上充满纸杯。
需要注意的是，纸杯倒立放置在电子天平上时，仍要将硬纸板盖在纸杯口上，以确保两次实验中二氧化碳气体都是从相同的开放体系（8个圆孔）中逸出的。
需要说明的是，同样的纸杯倒立放置在电子天平上时，其起始质量（5.42g）小于正立时的起始质量（5.45g），说明在纸杯翻转倒立的过程中，不管动作多快都免不了会有一些二氧化碳气体逸出纸杯；即便这样，对探究微粒的运动也没有影响。
（5）为排除实验的偶然性，减小实验误差，重复实验多次，发现变化规律相同。
4.1.2 实验结论
对实验得到的数据和曲线进行分析，可得出如下的实验结论：
（1）虽然二氧化碳气体的密度比空气大，但纸杯正立放置在电子天平上时其质量不断减小，说明二氧化碳气体通过8个圆孔不断向外逸出，进而可知二氧化碳分子在不断运动。
（2）充满二氧化碳气体的纸杯倒立放置时，其质量减小的速率明显大于纸杯正立时，说明在相同的条件下，密度比空气大的气体其分子向下运动速率明显大于向上运动速率（这也从微观的角度说明了“密度比空气大的气体要用向上排空气法收集”的原因）。
4.2 利用氢气探究微粒运动
4.2.1 实验步骤
（1）用向下排空气法在纸杯里收集氢气，根据氢气的流速估计收集满了（收不满也不影响实验结果），然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再将纸杯快速倒放在电子天平上进行称量（见图2），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表2-a）。不难发现，纸杯的质量减小得较快，大约45s时质量保持在5.35g不变，说明密度小于空气的氢气此时已基本上全部逸出纸杯，空气已基本上充满纸杯。
关键词：电子天平；二氧化碳；氢气；气体分子运动；实验探究
文章编号：1005–6629（2015）9–0042–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
为了说明微粒的运动情况，笔者曾设计了“利用氧气、二氧化碳传感器探究微粒运动”的巧妙实验[1]，但很多学校没有手持技术设备，不能进行这样的实验。最近，笔者利用普通中学普遍配备的电子天平，再次设计了探究微粒运动的实验，不仅可以直观地说明微粒的运动性，还反映了实验条件对分子运动快慢的影响，从而帮助学生直观、全面地认识微观粒子运动的基本性质和气体的物理性质。
1 实验原理
麦克斯韦-玻尔兹曼研究了气态物质的运动行为，得出重力场中气态物质的玻尔兹曼分布公式[2]：
3 实验用品
主要有：二氧化碳气体，氢气；电子天平（精确度为10mg，东莞南城长协电子制品厂生产），250mL的一次性纸杯（或塑料瓶），田径秒表（在连续计时的情况下可以多次掐表读秒），硬纸板等。
4 实验过程
实验时的室内气温约为22℃、气压约为1atm。
4.1 利用二氧化碳气体探究微粒运动
4.1.1 实验步骤
（1）取一个250mL的一次性纸杯，在靠近杯口处对称地打8个圆孔（或用电烙铁烧出8个圆孔），孔径约1cm；剪一块比纸杯口径略大的平整的硬纸板（包装衬衣的硬纸板最好），确保硬纸板与纸杯口比较吻合。
（2）校准精确度为10mg的电子天平，再将充满空气的“空”纸杯正放（或倒放）到电子天平上，在纸杯口盖好硬纸板，称其质量约为5.35g，即纸杯（含硬纸板的杯盖）充满常态空气时的质量是5.35g。
（3）用向上排空气法在纸杯里收集一杯二氧化碳气体（在8个圆孔的任意1孔处验满），然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再迅速将纸杯正放在电子天平上进行称量（见图1），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表1-a）。我们发现，纸杯的质量一开始快速减小，大约120s后缓慢减小；直至大约4037s时质量保持在5.35g不变，说明密度大于空气的二氧化碳气体此时已基本上全部逸出纸杯，空气已基本上充满纸杯。
（4）再用向上排空气法在纸杯里收集一杯二氧化碳气体，然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再迅速将纸杯翻转过来倒放在电子天平上进行称量（见图2），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表1-b）。我们发现纸杯质量减小的速率明显大于正立放置时；大约118s时质量保持在5.35g不变，说明二氧化碳气体此时已基本上全部逸出纸杯，密度小于二氧化碳气体的空气已基本上充满纸杯。
需要注意的是，纸杯倒立放置在电子天平上时，仍要将硬纸板盖在纸杯口上，以确保两次实验中二氧化碳气体都是从相同的开放体系（8个圆孔）中逸出的。
需要说明的是，同样的纸杯倒立放置在电子天平上时，其起始质量（5.42g）小于正立时的起始质量（5.45g），说明在纸杯翻转倒立的过程中，不管动作多快都免不了会有一些二氧化碳气体逸出纸杯；即便这样，对探究微粒的运动也没有影响。
（5）为排除实验的偶然性，减小实验误差，重复实验多次，发现变化规律相同。
4.1.2 实验结论
对实验得到的数据和曲线进行分析，可得出如下的实验结论：
（1）虽然二氧化碳气体的密度比空气大，但纸杯正立放置在电子天平上时其质量不断减小，说明二氧化碳气体通过8个圆孔不断向外逸出，进而可知二氧化碳分子在不断运动。
（2）充满二氧化碳气体的纸杯倒立放置时，其质量减小的速率明显大于纸杯正立时，说明在相同的条件下，密度比空气大的气体其分子向下运动速率明显大于向上运动速率（这也从微观的角度说明了“密度比空气大的气体要用向上排空气法收集”的原因）。
4.2 利用氢气探究微粒运动
4.2.1 实验步骤
（1）用向下排空气法在纸杯里收集氢气，根据氢气的流速估计收集满了（收不满也不影响实验结果），然后快速将硬纸板严密地盖在纸杯口上，再将纸杯快速倒放在电子天平上进行称量（见图2），注意及时记录纸杯质量随时间的变化（见表2-a）。不难发现，纸杯的质量减小得较快，大约45s时质量保持在5.35g不变，说明密度小于空气的氢气此时已基本上全部逸出纸杯，空气已基本上充满纸杯。