第2节 实验：用油膜法估测油酸分子的大小（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第2节　实验：用油膜法估测油酸分子的大小 实验目的 1．用油膜法估测油酸分子的大小。 2．初步学会用统计的方法求物理量。 实验器材 清水、酒精、油酸、浅盘(边长30～40 cm)、注射器、烧杯、玻璃板、彩笔、痱子粉、坐标纸、容量瓶(500 mL)。  实验步骤 1．用稀酒精溶液及清水清洗浅盘，充分洗去油污、粉尘，以减少实验误差。 2．配制油酸酒精溶液：取油酸1 mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500 mL刻度线为止，摇动容量瓶，使油酸分子充分与酒精分子结合，这样就得到了浓度为0.2%的油酸酒精溶液。 3．用注射器吸取一段油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积，再把注射器中的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入烧杯中，并记下液滴的总滴数N。 4．向浅盘里倒入约2 cm深的水，并将痱子粉均匀地撒在水面上。 5．用注射器将油酸酒精溶液滴在水面上一滴。 6．待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，并将油酸薄膜的形状用彩笔画在玻璃板上。 误差分析   产生原因 减小方法 偶然误差 测量油膜面积不准确 使用的坐标纸的方格要小一些，待液面稳定后再测量面积 系统误差 油膜的厚度不是单分子排列 使油酸酒精溶液的浓度小一些 注意事项 1．油酸酒精溶液配制好后，不要长时间放置，以免浓度改变，产生误差。 2．实验之前应练习好滴定方法，注射器针头高出水面的高度应在1 cm之内。 3．待测油酸液面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓，扩散后又收缩有两个原因：第一，水面受油酸液滴冲击凹陷后又恢复；第二，酒精挥发后液面收缩。 4．当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦拭，再用清水冲洗，这样做可保持盘的清洁。 [例1]　(2024·成都高二检测)如图是“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的部分操作步骤： 实验原理与操作 (1)有关该实验的下列说法正确的是_________。 A．图中的操作步骤顺序是：丙→丁→乙→甲 B．油酸酒精溶液配制好后，不能搁置很久才做实验 C．往浅盘中滴入油酸酒精溶液后应立即描绘油膜轮廓 (2)若实验时油酸酒精溶液中纯油酸占总体积的0.2%，用注射器测得100滴这样的油酸酒精溶液为1 mL，取1滴这样的溶液滴入浅盘中，即滴入浅盘中的纯油酸体积为_________cm3。 [解析]　(1)根据题意，由实验原理可知，用油膜法估测油酸分子的大小的实验步骤为丙→乙→丁→甲，故A错误；油酸酒精溶液配制好后，不能搁置很久才做实验，避免酒精挥发，浓度发生变化，实验有误差，故B正确；应等油酸完全散开稳定后再描绘油膜轮廓，故C错误。 [答案]　(1)B　(2) 2.0×10－5 [例2]　某小组同学在实验室做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，实验的方法及步骤如下： ①向体积V油＝1 mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝500 mL； ②用注射器吸取一段①中配制好的油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积为V0＝1 mL，把它一滴一滴地滴入烧杯中，记下液滴的总滴数n＝100滴； ③往边长为30～40 cm的浅盘里倒入2 cm深的水，将爽身粉均匀地撒在水面上； 数据处理和误差分析 ④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸薄膜的形状； ⑤将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内的小方格的个数，小方格的边长l＝20 mm。 根据以上信息，回答下列问题： (1)该同学有遗漏的实验步骤是________，其正确做法是_________________________________________________________________________________________________。 (2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′是________mL。 (3)油酸分子的直径D＝______m(保留一位有效数字)。 (4)若爽身粉撒得过厚，则会使分子直径的测量结果偏________(选填“大”或“小”)。 (4)若爽身粉撒得过厚，油酸薄膜不能充分展开，则测量的油酸膜面积S偏小，导致测量结果偏大。 [答案]　(1)④　用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，再将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸薄膜的形状 (2)2×10－5　(3)5×10－10　(4)大 1．在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，下列对实验过程的分析正确的是 (　 ) A．测量一滴油酸酒精溶液体积用的是微小量放大法 B．在水面上撒爽身粉是为了使油膜边缘形成规则形状 C．在坐标纸上计算油膜轮廓内格子数采用的是比值法 D．该实验采用的是借助物理模型间接测量的方法 解析：测量一滴油酸酒精溶液体积用的是累积法，选项A错误；在水面上撒爽身粉是为了使油膜边缘形成清晰的界面，选项B错误；在坐标纸上计算油膜轮廓内格子数采用的是累加法，选项C错误；该实验采用的是借助物理模型间接测量的方法，选项D正确。 答案：D　 2.在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，下列说法中正确的是(　 ) A．用油膜法可以精确测量油酸分子的大小 B．油酸分子直径等于纯油酸体积除以相应油酸膜面积 C．计算油酸膜面积时，应舍去所有不足一格的方格 D．实验时应先将一滴油酸酒精溶液滴入水面，再把爽身粉撒在水面上 解析： “用油膜法估测油酸分子的大小”实验是假设油酸分子是单层并且紧密相连的，并不完全符合实际，故不能精确测量油酸分子的大小，选项A错误；根据实验原理可知，分子直径等于纯油酸的体积除以相应的油酸膜面积，选项B正确；在计算面积时，超过半格的算一个，不足半格的才能舍去，选项C错误；实验时要先撒爽身粉，再滴油酸酒精溶液，选项D错误。 答案：B　 3.某同学在实验室做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，已知每1×104 mL油酸酒精溶液中有纯油酸6 mL，用注射器抽得上述溶液2 mL，现缓慢地滴出1 mL溶液，共有液滴数为50滴。把1滴该溶液滴入盛水的浅盘中，在刻有小正方形方格的玻璃板上描出油膜的轮廓如图所示，小正方形方格的边长为20 mm。试问： (1)这种估测方法是将每个分子视为________模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为________油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的__________。 (2)图中油膜面积是________mm2；每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是________mL；根据上述数据，估测出油酸分子的直径约为________m(最后一空保留一位有效数字)。 解析：(1)这种估测方法是将每个分子视为球体模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为单分子油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的直径。 答案：(1)球体　单分子　直径　(2)23 200　1.2×10－5　5×10－10 4．测量分子大小的方法有很多，如油膜法、显微法等。 (1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，取0.25 mL油酸溶于酒精，制成250 mL的油酸酒精溶液。然后用滴管吸取一些油酸酒精溶液，一滴一滴地向小量筒中滴入100滴溶液，此时液面恰好达到量筒中1 mL的刻度，再用滴管取配制好的油酸酒精溶液，向撒有爽身粉的盛水浅盘中滴入2滴油酸酒精溶液，在水面上形成油膜，待油膜稳定后，将带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上并描下油膜的形状，如图甲所示。小方格的边长为2 cm。由图可以估算出油膜的面积是________cm2，由此估算出油酸分子的直径是________m(结果保留一位有效数字)。 (2)通过查找资料，得知油酸分子的直径为4.6×10－10m，则造成实验结果偏差的原因可能是________。 A．爽身粉撒得过多 B．勾画油膜形状时面积圈大了 C．计算1滴油酸酒精溶液的体积时，1 mL溶液的滴数多计了几滴 D．在滴入量筒之前，配置好的油酸酒精溶液在空气中搁置了较长时间 (3)如图乙所示是用扫描隧道显微镜拍下的一个“量子围栏”的照片。这个量子围栏是由48个铁原子在铜的表面排列成直径为1.43×10－8 m的圆周而组成的。由此可以估算出铁原子的直径约为________m。(结果保留两位有效数字) 答案：(1)256　8×10－10　(2)A　(3)9.4×10－10 实验原理 当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水中并很快挥发，在水面上形成一层单分子纯油酸薄膜，如图所示。如果把分子看成球形，单分子油膜的厚度就可以认为等于油酸分子的大小(直径)。 实验中如果算出一定体积V的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积S，即可算出油酸分子直径的大小，即D＝。 7．将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个，算出油膜的面积S。 8．根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V，并代入公式D＝算出油酸薄膜的厚度D。 9．重复以上实验步骤多测几次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即为油酸分子的直径。 数据处理 在实验中由D＝计算分子的直径，“V”是经过换算后一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积。各物理量的计算方法如下： 1．一滴油酸酒精溶液的体积V′＝(N为滴数，VN为N滴油酸酒精溶液的体积)。 2．一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V＝V′×η(η为油酸的浓度)。 3．油酸薄膜层的面积S＝na2(n为小正方形有效个数，a为小正方形的边长)。 4．注意单位的统一。 (2)根据题意可知，1滴这样的溶液中的纯油酸体积为V＝×0.2% mL＝2.0×10－5 cm3。 [解析]　(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤可简记为：“配→撒→滴→描→数→算”。由实验步骤可知，有遗漏的实验步骤是④，应待油酸薄膜形状稳定后，再将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸薄膜的形状。 (2)一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积V′＝× mL＝2×10－5 mL。 (3)由题图数出有效格数为110，油酸薄膜的面积S＝110×20×20×10－6 m2＝4.4×10－2 m2，则油酸分子的直径D＝＝ m≈5×10－10 m。 油膜法估测油酸分子直径的三个关键 (1)获得一滴油酸酒精溶液的体积，并由配制浓度求出其中所含纯油酸的体积V。 (2)用数格子法(不足半个的舍去，多于半个的算一个，即“四舍五入”法)求出油膜面积S。 (3)由公式D＝计算结果。其中V和S的单位均采用国际单位制中的单位，即体积V的单位是m3，面积S的单位是m2。　 (2)油膜的面积可从玻璃板上描出的油膜轮廓范围内的小正方形方格个数得到，所围的方格中，面积超过一半的按一个算，小于一半的舍去，图中共有58个方格，故油膜面积为S＝58×20 mm×20 mm＝23 200 mm2 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 V＝× mL＝1.2×10－5 mL 油酸分子的直径 d＝＝ m≈5×10－10 m。 解析：(1)由题图甲可知，油膜的面积S＝64×2 cm×2 cm＝256 cm2,2滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V＝2××＝2×10－5mL，则油酸分子的直径d＝≈8×10－10m。 (2)由(1)知，实验测得的油酸分子直径偏大，根据d＝可知，实验测得的V偏大或S偏小。水面上爽身粉撒得过多，油膜没有充分展开，则测量的油膜面积S偏小，导致计算结果偏大，故A正确；若勾画油膜形状时面积圈大了，则测量的油膜面积S偏大，会导致计算结果偏小，故B错误；计算1滴油酸酒精溶液的体积时，1 mL溶液的滴数多计了几滴，则计算时所用体积数值偏小， 会导致计算结果偏小，故C错误；滴入量筒之前，配制好的油酸酒精溶液在空气中搁置了较长时间，酒精挥发使溶液的浓度变大，则1滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积变大，则测量的油膜面积变大，会导致计算结果偏小，故D错误。 (3)48个铁原子组成一个圆周，圆周的周长等于48个铁原子直径之和，则铁原子的直径d＝＝＝ m≈9.4×10－10m。 $$