第1节 第2课时 实验：利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（粤教版2019）

第2课时　实验：利用油膜法估测油酸分子的大小 【素养目标】　1.能构建油膜单分子层模型，理解估测分子大小的原理。　2.熟悉用油膜法估测油酸分子大小的实验步骤，并会估测分子的直径大小。　3.知道引起测量分子大小的误差的原因，对其进行误差分析。 1．实验原理 将油酸酒精溶液滴在水面上时，密度较小的油酸会在水面散开，形成极薄的一层油膜。若水面足够大，油膜展开的足够充分，则油酸分子就会一个挨一个整齐地紧密排列在水面上，形成单分子层油膜，如图所示。只需要测算出一滴溶液中纯油酸的体积V和在水面形成的油膜面积S，根据d＝可算出油膜的厚度，即可估测出油酸分子的直径大小。 2．实验器材 一定浓度的油酸酒精溶液、滴管、量筒、痱子粉、纱网(或粉扑)、浅盘(约30 cm×40 cm)、水、带有网格线的透明塑料盖板、彩笔等。 3．实验步骤 (1)测量算出1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V 学生用书↓第4页 ①配制体积分数为0.2%的油酸酒精溶液。 ②如图甲，用滴管吸取一定量的油酸酒精溶液，再把它一滴一滴地滴入量筒中，记下液滴的总滴数、量筒内溶液的体积，利用总体积除以总滴数，得到1滴油酸酒精溶液的体积。 ③根据溶液体积分数计算1滴油酸酒精溶液中油酸体积的平均值V。 (2)测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S ①如图乙所示，在水平放置的浅盘中倒入约2 cm深的水，用纱网(或粉扑)将适量痱子粉均匀地轻轻撒在水面上。 ②如图丙所示，用滴管将1滴油酸酒精溶液轻轻滴入水面中央，油酸立即在水面散开，形成一块油膜，通过痱子粉可以清楚地看出油膜的轮廓。 ③如图丁所示，待油膜形状稳定后，在浅盘上盖上带有网格线的透明塑料盖板，用彩笔描出油膜的轮廓。 ④根据画有油膜轮廓的塑料盖板上的坐标方格，数出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)。 ⑤把正方形的个数乘单个正方形的面积就估算出油膜的面积S。 ⑥洗净浅盘，擦去塑料盖板上的油膜轮廓线，重复实验2～3次。将实验数据填入设计的表格中。 4．数据处理 (1)根据表格中记录的数据，利用公式d＝计算出油酸分子的直径，并取平均值。 (2)该实验借用宏观的体积、面积来估测微观的分子直径，这是一种借宏观量来研究微观量的方法。 5．注意事项 (1)油酸酒精溶液配制好后不要长时间放置，以免酒精挥发使浓度改变，造成较大的实验误差。 (2)实验前应注意检查浅盘是否清洗干净，痱子粉应均匀撒在水面上。 (3)向水面滴油酸酒精溶液时，应靠近水面，不能离水面太高，否则油膜难以形成。 (4)油膜扩散后由于酒精的挥发又会收缩，要在油膜的形状稳定后再描轮廓。 (5)计算轮廓范围内正方形的个数时，不足半个的舍去，多于半个的算一个。 一　教材原型实验 (2023·广东广州华南师大附中高二期中)某实验小组做“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．将油膜看成单分子层油膜 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．将油酸分子看成球体 (2)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：________(用字母符号表示)。 (3)某次实验，配制油酸酒精溶液时，油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸5 mL，用注射器测得0.5 mL上述溶液有100滴，则一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为________mL。把一滴该溶 学生用书↓第5页 液滴入盛水的表面撒有痱子粉的浅盘里，测得油酸膜的近似轮廓如图所示，轮廓线内约有________格；图中正方形小方格的边长为2 cm，油酸膜的面积为________________________________________________________________________cm2； 则油酸分子的直径是________m。(最后一空结果保留2位有效数字) (4)某次实验时，该小组四个同学都发生了一个操作错误，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，导致油酸酒精溶液的实际体积分数比计算值小了 B．乙同学用注射器测得102滴油酸酒精的溶液为0.5 mL，不小心错记录为100滴 C．丙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溶液滴在水面上，这个拿错的注射器的针管比原来的粗 D．丁同学计算油膜面积时，把凡是半格左右的油膜都算成了一格 答案：(1)ABD　(2)DBFEC　(3)2.5×10－5　64　256　9.8×10－10　(4)AB 解析：(1)该实验中的理想化假设是：①油膜是呈单分子层分布的；②把油酸分子看成球体；③分子之间空隙不计。故选ABD。 (2)实验的步骤为：配制油酸酒精溶液(记下配制比例)→测定一滴油酸酒精溶液的体积→准备浅水盘→撒痱子粉→滴油酸酒精溶液，形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积→计算分子直径，因此操作先后顺序排列应是：DBFEC。 (3)一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为V＝× mL≈2.5×10－5 mL 按照“超过半格的算一个，不足半格的舍去”原则，可得共有64格，油酸膜的面积为S＝64×4 cm2＝256 cm2，估测出油酸分子的直径为d＝＝ cm≈9.8×10－10 m。 (4)甲同学的操作会导致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d偏大，故A符合题意；乙同学的操作会导致算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积偏大，由d＝可得d偏大，故B符合题意；丙同学的操作会导致对应的油膜面积S变大，但体积V还是按原来的计算，由d＝可得d偏小，故C不符合题意；丁同学计算出的油膜的面积S偏大，由d＝可得d偏小，故D不符合题意。故选AB。 在“用油膜法估测油酸分子的直径”的实验中，某同学按如下步骤操作： A．在量筒中滴入一滴已配制好的油酸酒精溶液，测出其体积； B．在装有水、水面撒有适量痱子粉的浅盘中滴入一滴已配制好的溶液，待油膜形状稳定； C．将玻璃板放在浅盘上，将油膜形状描绘在玻璃板上； D．将玻璃板平放在坐标纸上，计算出油膜的面积，根据油酸体积和面积计算出油酸分子的直径。 (1)其中不合理的操作步骤是________。 (2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液的作用是________。 A．可使油酸和痱子粉之间形成清晰的边界轮廓 B．有助于测量一滴油酸的体积 C．对油酸溶液起到稀释作用 D．有助于油酸的颜色更透明便于识别 (3)已知油酸酒精溶液中油酸体积所占比例为k，n滴油酸溶液体积为V，一滴油酸酒精溶液形成油膜的面积为S，则油酸分子的直径为________。 答案：(1)A　(2)C　(3) 解析：(1)测一滴油酸酒精溶液体积的方法为：在量筒中滴入N滴溶液，测出其体积为V，则一滴该溶液的体积为V1＝，A不合理。 (2)如果油酸不加稀释，形成的油膜面积很大，不便于测量，油酸可以溶于酒精，因此酒精溶液的作用是对油酸溶液起到稀释作用，A、B、D错误，C正确。 (3)一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V0＝k，则油酸分子的直径为d＝＝。 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。 (1)在“利用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，用移液管量取0.25 mL油酸，制成250 mL的油酸酒精溶液。然后用滴管吸取这种溶液，向量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面达到量筒中1 mL的刻度。再用滴管取配好的油酸酒精溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴入2滴溶液，在液面上形成油膜，待油膜稳定后，放上带有小方格的玻璃板并勾画出油膜轮廓，如图甲所示。 小方格的大小为2 cm×2 cm，由图甲可以估算出油膜的面积为________ cm2，由此估算出油酸分子的直径为________ m。(最后一空保留1位有效数字) (2)根据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．勾画油膜轮廓时所画轮廓偏大 C．计算每滴油酸酒精溶液的体积时，1 mL溶液的滴数多数了几滴 D．在将溶液滴入量筒之前，配制好的溶液在空气中搁置了较长时间 (3)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) 256　8×10－10　(2)A　(3)9.4×10－10 解析：(1)由题图甲可知，油膜的面积S＝64×2×2 cm2＝256 cm2；2滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积V＝2×× mL＝2×10－5 mL＝2×10－5 cm3，则油酸分子的直径d＝＝ cm≈8×10－8 cm＝8×10－10 m。 (2)根据d＝可知水面上痱子粉撒得过多，油膜没有充分展开，则测量的面积S偏小，导致d的计算结果偏大，故A正确；计算油膜面积时，勾画油膜轮廓时所画轮廓偏大，则测量的面积S偏大，会导致d的计算结果偏小，故B错误；计算每滴油酸酒精溶液的体积时，1 mL溶液的滴数多数了几滴，则计算时所用体积V的数值偏小，会导致计算结果偏小，故C错误；将溶液滴入量筒之前，配制好的溶液在空气中搁置了较长时间，酒精挥发使油酸的实际体积分数变大，则计算时所用体积V的数值偏小，会导致计算结果偏小，故D错误。 (3)48个铁原子组成一个圆，圆的周长等于48个铁原子直径之和，则铁原子的直径d1＝＝ m≈9.4×10－10 m。 学科网（北京）股份有限公司 $$