内容正文:
2.实验:用油膜法估测油酸分子的大小
第一章 分子动理论
1.掌握用油膜法估测油酸分子的大小的实验原理和科学方法。
2.能正确进行实验,提高动手操作能力。
3.能对实验数据进行综合分析和计算,得到油酸分子的直径的数
量级。
素养目标
探究过程 梳理要点
1
合作交流 应用拓展
2
课时测评
3
内容索引
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3
4
5
6
7
1
探究过程 梳理要点
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一、实验目的
1.了解油酸分子的结构特点,学会用油膜法估测油酸分子的大小。
2.学会间接测量微观量的原理和方法。
二、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,从而在水面上形成
一层单分子纯油酸薄膜,如图所示。如果把分子看
作小球,那么可以认为油膜的厚度等于油酸分子的
大小(直径)。
三、实验器材
1.器材:量筒,注射器,浅盘,油酸酒精溶液,玻璃板,坐标纸,痱子粉或滑石粉,细彩笔,水。
2.部分器材用途
器材 用途
水、浅盘 提供平静的水面
坐标纸、玻璃板 描绘单分子油膜的形状
痱子粉或滑石粉 撒在水面上使油膜边界清晰
油酸酒精溶液 获得单分子油膜
四、实验步骤
1.用注射器吸入一定体积(如1 mL)事先配制好的油酸酒精溶液,再均匀地滴到玻璃杯中,记下滴出的总滴数,即可算出一滴油酸酒精溶液的体积V0。
2.在边长30~40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水,然后将痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上,用注射器将事先配制好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待其散开。
3.当油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板轻放在浅盘上,用细彩笔仔细地把油酸薄膜边缘的形状画在玻璃板上。
4.将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,用数格的方法估算出油膜的面积S。
5.根据油酸酒精溶液的浓度和已测出的一滴油酸酒精溶液的体积V0,算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。
五、数据处理
六、误差分析
误差 产生原因 减小方法
偶然误差 测量油膜面积不准确 坐标纸的方格要小一些,待液面稳定后再测量面积
油酸体积计算存在误差 配制过程要严格把握各个环节,配制好的溶液立即封存,且不宜存放较长时间
系统误差 油膜不是单分子排列 使油酸酒精溶液的浓度小一些,让油膜尽量在水面上散开
七、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.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。
3.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。
4.从盘的中央加痱子粉或滑石粉,粉自动扩散至均匀,这样做比将粉撒在水面上的效果好。
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合作交流 应用拓展
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例1
一 教材原型实验
(2024·黑龙江齐齐哈尔高二期中)某同学“用油膜法估测油酸分子的大小”,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,油酸分子就立在水面上。
(1)下列有助于较准确完成本实验的理想化方法有
A.分子都视为立方体
B.分子都能形成单分子油膜
C.分子都是一个一个紧挨着排列的
D.滴入的油酸溶液是高纯度的油酸酒精溶液
√
√
下列有助于较准确完成本实验的理想化方法有:分子都视为小球;可认为油酸分子都能形成单分子油膜;并将分子都视为一个一个紧挨着排列,故选BC。
(2)为了减小本实验的实验误差,下列方法可行的是
A.油酸未完全散开时开始描绘油膜轮廓
B.把浅盘水平放置,在浅盘里倒入一些水,使水面离盘口距离小一些
C.先在浅盘水中撒些痱子粉,再用注射器把油酸酒精溶液多滴几滴在水面上
D.用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成矩形
√
为了减小本实验的实验误差,应把浅盘水平放置,在浅盘里倒入一些水,使水面离盘口距离小一些,要等油酸完全散开时开始描绘油膜轮廓,故B正确,A错误;先在浅盘水中撒些痱子粉,再用注射器把油酸酒精溶液滴一滴在水面上,等油酸分子自由扩散,形成稳定的单分子油膜,不能用牙签把水面上的油膜拨弄成矩形,故C、D错误。故选B。
(3)现有按酒精与纯油酸的体积比为a∶b配制好的油酸酒精溶液置于容器中,还有一个装有约2 cm深水的浅盘、一支注射器、一个量筒。现用注射器从量筒中取V体积的油酸酒精溶液,让其自由滴出,全部滴完共为N滴。现用注射器将一滴油酸酒精溶液滴入浅盘,待油酸薄膜稳定后,将薄膜轮廓描绘在坐标纸上,如图所示(已知坐标纸上每个小方格面积为S,求油膜面积时,半个以上方格面积记为S,不足半个舍去)。则估算油酸分子直径的
表达式为d=__________。
在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,小娜和小问同学组成的小组具体操作如下:
①取纯油酸0.1 mL注入500 mL的容量瓶内,然后向瓶中加入酒精,直到液面达到500 mL的刻度为止,摇动容量瓶使油酸在酒精中充分溶解,形成油酸酒精溶液;
②用注射器吸取制得的溶液逐滴滴入量筒,记录滴入的滴数直到量筒达到1.0 mL为止,共滴了25滴;
③在边长约30 cm的浅盘内注入约2 cm深的水,将滑石粉均匀地撒在水面上,再用注射器吸取油酸酒精溶液,轻轻地向水面滴一滴油酸酒精溶液,油酸在水面上尽可能地散开,形成一层油膜,可以清楚地看出油膜轮廓;
例2
④待油膜形状稳定后,将事先准备好的玻璃板放在浅盘上,并在玻璃板上描下油膜的轮廓;
⑤将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,如图1所示,可以数出轮廓范围内小方格的个数,小方格的边长为L=1 cm。
(1)根据该小组的实验数据,可估算出油酸分子的直径约为__________ m。(结果保留1位有效数字)
7×10-10
(2)某次实验时,小娜同学滴下油酸酒精溶液后,滑石粉迅速散开形成如图2所示的“锯齿”边沿图案,导致油膜没有充分展开。
①出现该图样的可能原因是
A.盆中装的水量太多
B.滑石粉撒得太多,且厚度不均匀
C.盆太小导致油酸无法形成单分子层
√
出现题图2所示图样的可能原因是滑石粉撒得太多,且厚度不均匀,故选B。
②若用此油膜作为依据进行估测,则最终的测量结果将______(选填“偏大”“偏小”或“无影响”),经过评估,该小组决定重做实验。
偏大
(3)实验中总会有各种意外,小问同学作为物理课代表,就在实验时细心地发现三位同学各发生了一个操作失误,其中导致最后所测分子直径偏大
的是
A.甲同学在配制油酸酒精溶液时,不小心把酒精倒多了一点
B.乙同学在计算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液体积后,不小心拿错了一个注射器取一滴油酸酒精溶液滴在水面上,这个拿错的注射器的针管比原来的粗
C.丙同学计算油膜面积时,把所有半格左右的油膜都算成了一格
√
针对练.(2024·河北唐山市高二统考)每500 mL油酸酒精溶液中有油酸
0.25 mL,用滴管向量筒内滴100滴上述溶液,量筒中的溶液体积增加1 mL。若把一滴这样的溶液滴入盛水的浅盘中,由于酒精溶于水,油酸在水面展开,稳定后形成单分子油膜的形状如图所示。(以下计算结果均保留1位有效数字)
(1)若每一小方格的边长为10 mm,则油膜的面积为__________m2。
8×10-3
每个正方形的面积为S1=(10-2)2 m2=1×10-4 m2,面积超过正方形面积一半的正方形的个数为80个,则油酸膜的面积为S=80S1=80×10-4 m2=8×10-3 m2。
(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为___________m3。
5×10-12
(3)根据上述数据,估算出油酸分子的直径为__________m。
6×10-10
(4)为了尽可能准确地估测出油膜分子的大小,下列措施可行的是
A.油酸浓度适当大一些
B.油酸浓度适当小一些
C.油酸扩散后立即绘出轮廓图
D.油酸扩散并待其收缩稳定后再绘出轮廓图
√
√
为能形成单分子油膜,油酸浓度应适当小些;绘制轮廓图应在油酸扩散稳定后进行。故选BD。
二 拓展创新实验
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:
①取0.25 mL油酸溶于酒精,制成250 mL的油
酸酒精溶液。然后用注射器吸取一些油酸酒精
溶液,一滴一滴地向小量筒中滴入100滴溶液,
此时液面恰好达到小量筒中1 mL的刻度,再用
注射器取配制好的油酸酒精溶液,向撒有痱子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,由图甲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1位有效数字)。
例3
256
8×10-10
由题图甲可知,油膜的面积S=64×2×2 cm2=256 cm2
2滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积
②通过查找资料,得知油酸分子的直径为4.6×10-10 m,则造成实验结果偏差的原因可能是
A.痱子粉撒得过多
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
√
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
痱子粉撒得过多,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,则计算时所用油酸体积数值偏小,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,测量的油膜面积变大,会导致计算结果偏小,故D错误。
(2)如图乙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2位有效数字)。
9.4×10-10
针对练.在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时,已经准备的器材有:油酸酒精溶液、注射器、浅盘和水、带坐标方格的玻璃板、痱子粉、彩笔、烧杯。
(1)在实验中,所做的理想化的假设有:______________________________
____________________________________________________________________________________________;在将油酸酒精溶液滴向水面前,要先在水面上均匀撒些痱子粉,这样做是为了______________________________
______________________________________________________________________。
在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,一般将油膜看成单分子油膜,将油酸分子看成球形,将油酸分子看成是紧挨在一起的
在滴入溶液之前,要先在水面上均匀地撒上痱子粉,这样做的目的是使油膜边界清晰,便于描绘油膜
形状
在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,一般将油膜看成单分子油膜,将油酸分子看成球形,将油酸分子看成是紧挨在一起的;在滴入溶液之前,要先在水面上均匀地撒上痱子粉,这样做的目的是使油膜边界清晰,便于描绘油膜形状。
(2)已知实验室中使用的油酸酒精溶液的浓度为c,又用注射器测得每N滴这种油酸酒精溶液的总体积为V0,将一滴这种溶液滴在浅盘中的水面上,在玻璃板上描出油膜的边界线,再把玻璃板放在画有边长为a的正方形小格的纸上(如图所示),测得油膜占有的小正方形个数为X。
①每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积的表达式V=____。
②油膜的面积表达式S=______,从图中可数出小正方形的有效个数X=____。
Xa2
55
所形成油膜的面积为S=Xa2
超过半格的算一个,不足半格的舍去,从题图中可数出小正方形的有效个数X=55。
③用以上字母表示油酸分子的直径d=______。
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课 时 测 评
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1.(2023·宿迁高二检测)在“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中,下列说法正确的是
A.该实验中将油膜看作由一个个油酸分子紧密排列的单层分子膜
B.d= 中的V是一滴油酸酒精溶液的体积
C.若油酸酒精溶液浓度太高,会使油酸分子直径的测量值偏小
D.测量油膜面积时,必须让油膜形成规则的几何形状
√
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3
4
5
6
7
1
该实验中是将油膜看作由一个个油酸分子紧密排列而形成的单层分子膜,故A正确;公式d= 中的V是一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积,故B错误;油酸酒精溶液的浓度过高,不易形成单分子油膜,油酸分子直径的测量值可能大于真实值,故C错误;测量油膜面积时,不需要让油膜形成规则的几何形状,故D错误。
2
3
4
5
6
7
1
√
2.(2023·江苏苏州期中)为了减小“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验误差,下列方法可行的是
A.为使油酸和酒精充分混合,配成的油酸酒精溶液需静置较长时间
B.将油酸酒精溶液滴在水面上时,注射器距水面距离需要近一些
C.为清晰显示油膜的边界,滴入油酸酒精溶液后再撒上痱子粉
D.用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成规则形状
2
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7
1
酒精易挥发,油酸酒精溶液静置较长时间后,油酸浓度会变大,为减小误差,溶液应现配现用,A错误;油酸酒精溶液滴在水面上时,应使注射器竖直靠近水面,若离水面太高,可能无法形成油膜,B正确;为清晰显示油膜的边界,痱子粉要在滴入油酸酒精溶液前撒上,C错误;牙签拨弄油膜可能会形成间隙,同时会带走部分油酸,本实验只要能形成单分子油膜即可,对油膜形状没有要求,D错误。
2
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7
1
3.(10分)“用油膜法估算油酸分子大小”的实验中,首先需将纯油酸稀释成一定浓度的油酸酒精溶液,稀释的目的是__________________________
____________________。实验中为了测量出一滴已知浓度的油酸酒精溶液中纯油酸的体积,可以____________________________________________
____________________________________________________。为得到油酸分子的直径,还需测量的物理量是__________________。
使油酸在浅盘的水面上容易
形成一层单分子油膜
把油酸酒精溶液一滴一滴地滴入小量筒中,测出1 mL油酸酒精溶液的滴数,得到一滴溶液中纯油酸的体积
单分子油膜的面积
2
3
4
5
6
7
1
由于分子直径非常小,极少量油酸所形成的单分子层油膜面积会很大,因此实验前需要将油酸稀释,使油酸在浅盘的水面上容易形成一层单分子油膜。可以用累积法测量多滴溶液的体积后,计算得到一滴溶液中纯油酸的体积。油酸分子直径等于一滴溶液中纯油酸的体积与形成的单分子油膜的面积之比,即d= ,故除测得一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积外,还需要测量单分子油膜的面积。
2
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1
4.(10分)(2023·四川泸州统考一模)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,我们可以通过宏观量的测量间接计算微观量。
(1)本实验利用了油酸分子易在水面上形成_____(选填“单层”或“多层”)分子油膜的特性。
单层
在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,我们的实验依据是:①油膜是呈单分子分布的,②把油酸分子看成球形,③分子之间没有间隙,由上可知,在水面上要形成单层分子油膜。
2
3
4
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7
1
(2)实验中,若测量并计算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为2.4×
10-11 m3,测量并计算出油膜的面积为4.0×102 cm2,则油酸分子的直径为___________m。(计算结果保留两位有效数字)
6.0×10-10
油酸分子的直径为
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3
4
5
6
7
1
(3)某同学在测量一滴油酸酒精溶液的体积时,少数了2滴而自己不知,若只考虑这一因素对实验结果的影响,这种情况会导致分子直径的测量结果______真实值。(选填“大于”“小于”或“等于”)
大于
测量一滴油酸酒精溶液的体积时少数了2滴,则计算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积偏大,根据d= 可知,这种情况会导致分子直径的测量结果大于真实值。
2
3
4
5
6
7
1
5.(10分)(2023·辽宁实验中学高二期中)“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中:
(1)如图所示的四个图反映了实验中的四个步骤,将它们按操作先后顺序排列应是______(用符号表示)。
dacb
2
3
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5
6
7
1
“用油膜法估测油酸分子的大小”的实
验中:第一步,配置油酸酒精溶液;第
二步,将N滴油酸酒精溶液滴入量筒中
测出体积,根据配制比例算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V;第三步,准备浅水盘,将痱子粉均匀地撒在水面;第四步,将一滴油酸酒精溶液滴在有痱子粉的浅水盘里,待油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板放在浅盘上,用彩笔将油膜的形状描绘在玻璃板上;第五步,将画有油膜形状的玻璃板放在坐标纸上,数出轮廓中的方格数(不足半格舍去,多于半格的算一格),再根据方格的边长算出油膜的面积S;第六步,根据D= 可算出油膜的厚度,即为分子直径。所以正确的操作步骤为dacb。
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1
(2)用油膜法测出油酸分子的直径后,要测定阿伏伽德罗常量,还需要知道油滴的
A.摩尔质量 B.摩尔体积
C.质量 D.体积
√
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3
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5
6
7
1
(3)某同学在做实验时,每500 mL油酸酒精溶液中有纯油酸0.05 mL,用注射器测得1 mL上述溶液有50滴,把一滴该溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的浅盘里,待水面稳定后,测得油酸膜的近似轮廓如图所示,图中正方形小方格的边长为1 cm,求(计算结果均保留2位有效数字):
①油酸膜的面积是___________m2;
4.0×10-3
2
3
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7
1
数出题图中方格数(不足半格舍去,大于半格算一格),则n=40格,每个小格的面积为S0=1.0×10-4 m2,计算得到油酸薄膜面积S=nS0=4.0×10-3 m2;
2
3
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7
1
②根据上述数据,估测出油酸分子的直径是____________m。
5.0×10-10
2
3
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5
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7
1
6.(10分)(2023·江苏丹阳中学期末)某实验小组完成“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验。
(1)该实验中的理想化假设是
A.将油膜看成单层分子油膜
B.不考虑各油酸分子间的间隙
C.不考虑各油酸分子间的相互作用力
D.将油酸分子看成球形
√
√
√
在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,我们的理想化假设是:
①油膜是呈单分子层分布的;②把油酸分子看成球形;③分子之间间隙不计。故选ABD。
2
3
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5
6
7
1
(2)实验中使用到油酸酒精溶液,其中酒精的作用是
A.可使油酸和痱子粉之间形成清晰的边界轮廓
B.对油酸起到稀释作用
C.有助于测量一滴油酸的体积
D.有助于油酸的颜色更透明便于识别
√
2
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4
5
6
7
1
由于油酸不溶于水,无论是否有酒精,油酸和痱子粉之间都会形成清晰的边界轮廓,故A错误;用酒精将油酸稀释制成油酸酒精溶液,一滴溶液中所含油酸减少,实验时,酒精迅速溶于水,很容易形成单分子油膜,因此酒精起到稀释作用,故B正确;一滴油酸的体积和一滴溶液的体积测量方法相同,都是取50滴(或其他数量)等于1 mL(或其他体积),从而算出一滴的体积,与是否含有酒精无关,故C错误;油酸本身和油酸酒精溶液基本都是无色的,故D错误。
2
3
4
5
6
7
1
(3)该小组进行下列实验操作,请选出需要的实验操作,并将它们按操作先后顺序排列:D_______(用字母符号表示)。
BFEC
2
3
4
5
6
7
1
“用油膜法估测油酸分
子的大小”的实验步骤
为:配制油酸酒精溶液
(记下配制比例)→测定
一滴油酸酒精溶液中纯
油酸的体积→准备浅水
盘→形成油膜→描绘油
膜边缘→测量油膜面积
→计算分子直径。因此
操作先后顺序应是:DBFEC。
2
3
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7
1
7.(10分)(2023·漳州市高二期末)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,有下列实验步骤:
①往浅盘里倒入一定深度的水,待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上;
②用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待油膜形状稳定;
③将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油膜的面积,根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小;
④用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内每增加一定体积时的滴数,由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积;
⑤将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。
2
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7
1
完成下列问题:
(1)上述步骤中,正确的顺序是_____________。(填写步骤前面的序号)
④①②⑤③
由实验要求可知,实验的步骤是④①②⑤③。
2
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7
1
(2)该实验中,使用到的研究方法是
A.等效替代法 B.理想模型法
C.微小量放大法 D.控制变量法
√
该实验采用的是借助物理模型间接测量的方法,认为分子为球形且一个挨一个排列,结合估测分子大小的原理,所以采用了理想模型法,故
选B。
2
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1
(3)已知实验室中使用的油酸酒精溶液每100 mL溶液中含有0.02 mL油酸,又用滴管测得每50滴这种溶液的总体积为1 mL,将一滴这种溶液滴在浅盘中的水面上,在玻璃板上描出油膜的边界线,再把玻璃板放在画有边长为1 cm的正方形小格的纸上(如图)。
①一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸体积为__________mL;
4×10-6
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7
1
②油膜占有的面积约为____cm2;
60
通过数油膜在纸上的格数可知,共有60个格,则油膜占有的面积约为S=60×1 cm2=60 cm2;
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1
③油酸分子直径的大小d=__________m。(结果保留1位有效数字)
7×10-10
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7
1
(4)某学生在“用油膜法估测分子的大小”实验中,计算结果明显偏大,可能是由于
A.油酸未完全散开
B.计算油膜面积时,将所有不足1格的方格记作1格
C.计算油膜面积时,舍去了所有不足1格的方格
D.在计算一滴油酸酒精溶液的体积时,少算了滴数
√
√
√
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3
4
5
6
7
1
油酸未完全散开,则S测量值偏小,则直径测量值偏大,故A正确;计算油膜面积时,将所有不足1格的方格记作1格,则S测量值偏大,则直径测量值偏小,故B错误;计算油膜面积时,舍去了所有不足1格的方格,则S测量值偏小,则直径测量值偏大,故C正确;计算油酸酒精溶液体积时,少算了液滴数,则纯油酸体积将偏大,计算得到的分子直径也将偏大,故D正确。
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第一章
分子动理论
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