2.实验：用油膜法估测油酸分子的大小-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

2.实验：用油膜法估测油酸分子的大小 【素养目标】　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。 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)。 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，即可算出油酸分子的大小(直径)，即D＝。 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。 6．用公式D＝(D为油酸分子直径)，计算得到油酸分子的大小。 五、数据处理 1．1 滴油酸酒精溶液的体积V0＝。 2．1 滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V＝V0×油酸酒精溶液的体积浓度(体积浓度＝)。 学生用书↓第6页 3.油膜的面积S＝N×a2(N为有效格数，小方格的边长为a)。 4．分子直径D＝(代入数据时注意单位的统一)。 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。 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 (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 (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＝ 。 答案：(1)BC　 (2)B　 (3) 解析：(1)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，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)一滴纯油酸的体积V0＝× 油酸分子直径为d＝ 解得d＝。 学生用书↓第7页 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； 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) (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 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。 (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 答案：(1)7×10－10　(2)①B　②偏大　(3)A 解析：(1)依题意，一滴溶液中纯油酸的体积为V＝××1 mL＝8×10－6 mL，单分子油膜的面积为S＝116×1×10－4 m2＝1.16×10－2 m2，油酸分子直径为d＝≈7×10－10 m。 (2)①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依题意，油膜没有充分展开，对应的油膜面积偏小，根据d＝，可知最终的测量结果将偏大。 (3)甲同学不小心把酒精倒多了一点，会导致油酸浓度比计算值小了一些，算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积比实际值大，由d＝，可得最后所测的分子直径偏大，故A正确；乙同学拿错的注射器的针管比原来的粗，一滴油酸酒精溶液的实际体积变大，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积变大，对应的油膜面积S变大，但体积V还是按原来细的算，由d＝，可得最后所测的分子直径偏小，故B错误；丙同学把所有半格左右的油膜都算成了一格，计算出的油膜的面积S偏大，由d＝，可得最后所测的分子直径偏小，故C错误。 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。 (2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为 m3。 (3)根据上述数据，估算出油酸分子的直径为 m。 学生用书↓第8页 (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 答案：(1)8×10－3　(2) 5×10－12　 (3)6×10－10　(4)BD 解析：(1)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V＝× mL＝5×10－12 m3。 (3)把油酸分子看成球形，且不考虑分子间的间隙，则分子的直径为d＝＝ m≈6×10－10 m。 (4)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)。 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 (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)。 答案：(1)①256　8×10－10　 ②A　(2)9.4×10－10 解析：(1)①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 V＝2×× mL＝2×10－5 mL 则油酸分子的直径d＝＝ m≈8×10－10 m。 ②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)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≈9.4×10－10 m。 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 。 (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＝ 。 ③用以上字母表示油酸分子的直径d＝ 。 答案：(1)见解析　(2)①　 ②Xa2　55　 ③ 解析：(1)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)①由题意可知，一滴油酸酒精溶液的体积V′＝，其中纯油酸的体积V＝cV′＝。 ②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油酸分子的直径d＝＝。 学科网（北京）股份有限公司 $$