第1章 2 实验 用油膜法估测油酸分子的大小 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（人教版2019，苏京）

DIYIZHANG 第一章 2　实验：用油膜法估测油酸分子的大小 学习目标 1.掌握油膜法估测分子大小的实验原理以及数据处理的思路和方法(重点)。 2.通过实验估测分子的大小，体会建立模型和估测方法在研究物理问题中的应用。 2 把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由 层油酸分子中的烃基C17H33－组成。 把分子简化为 形处理，并认为它们紧密排布，测出油膜的 ，它就相当于分子的直径，实验中需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中，即油酸分子的直径等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的 与它在水面上摊开的 之比，如图所示。 一、实验思路 单 球 厚度d 体积V 面积S 配制好的一定浓度的 、浅盘、水、 、注射器、烧杯、带坐标方格的玻璃板、彩笔。 二、实验器材 油酸酒精溶液 爽身粉 1.测量1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。 (1)配制一定浓度的油酸酒精溶液。 (2)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，再把它一滴一滴地滴入烧杯中，记下液滴的总滴数。 (3)用它们的 除以 ，得到1滴油酸酒精溶液的体积。 (4)根据溶液浓度计算其所含纯油酸的体积V。 三、物理量的测量 总体积 总滴数 2.测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S。 (1)在浅盘里盛上水，将爽身粉 地撒在水面上。 (2)用注射器向水面上滴1滴 ，油酸立即在水面散开，形成一块有轮廓的油膜。 (3)待油膜形状稳定后，将事先准备好的带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上 。 (4)根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的 ，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得到 。 均匀 油酸酒精溶液 描下薄膜的形状 舍去 油膜的面积S 1.用1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和该油膜面积S计算出油膜厚度，即油酸分子的直径d＝ 。 2.除了一些有机物质的大分子外，多数分子大小的数量级为 m。 四、数据分析 10－10 1.油酸酒精溶液配制好后不要长时间放置，以免浓度改变，造成较大的实验误差。 2.实验前应注意检查浅盘是否干净，爽身粉(或细石膏粉)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.待测油酸薄膜扩散后又会收缩，要在油酸薄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，不足半个的舍去，多于半个的算一个。 五、注意事项 1.实验中为什么不直接用纯油酸而是用被稀释过的油酸酒精溶液？ 思考与讨论 答案　用酒精对油酸进行稀释有利于获取更小体积的纯油酸，这样更有利于油酸在水面上形成单分子油膜；同时酒精易挥发，不影响测量结果。 2.实验中为什么在水面上撒爽身粉？ 答案　撒爽身粉后，便于观察所形成的油膜的轮廓。 3.为什么实验时要使油膜尽可能地散开？ 答案　要形成单分子油膜，所以实验时要使油膜尽可能地散开。 　 在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中， (1)某同学操作步骤如下： ①取一定量的无水酒精和油酸，制成一定浓度的油酸酒精溶液； ②在量筒中滴入一滴该溶液，测出它的体积； ③在浅盘内盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其形状稳定； ④在浅盘上覆盖透明玻璃，描出油膜形状，用透明方格纸测量油膜的面积。 改正其中的错误：_______________________________________________ _______________________________________________________________ _______________。 例1 ②在量筒中滴入N滴溶液，测出其体积 ③在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴入一滴油酸酒精溶液，待油膜形状稳定 ②在量筒中直接测量一滴油酸酒精溶液的体积误差太大，应先用累积法测出N滴该溶液体积，再求出一滴的体积，故改正为：在量筒中滴入N滴溶液，测出其体积； ③油酸在水面上形成的油膜形状不易观察，可在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴油酸酒精溶液，稳定后就呈现出有清晰轮廓的油膜，故改正为：在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴入一滴油酸酒精溶液，待油膜形状稳定。 (2)实验中，进行了理想化的假设，如______________________________ ____________(写出一种假设即可)。实验中，测量出滴入水中的纯油酸体积后，为得到油酸分子的直径，还需测量的物理量是_______________。 在实验中，均匀撒爽身粉(或细石膏粉)有利于形成_______________，便于记录数据。将一滴体积为V的油酸酒精溶液滴入水中，油膜形状稳定 后面积为S，油酸酒精溶液的浓度为η，估算该油酸分子的直径为______。 将油膜的厚度近似认为等于油酸 分子的直径 形成的油膜面积 清晰的油膜边缘 实验中进行了一些理想化的假设，如假定油酸分子一个紧挨一个地排列在一起，将油膜的厚度近似认为等于油酸分子的直径等；实验中需要测出纯油酸体积和油酸在水面完全铺开后形成的油膜面积；均匀撒爽身粉(或细石膏粉)有利于形成清晰的油膜边缘，便于测量油膜的面积；油膜的厚度为d＝　，近似认为其等于油酸分子的直径。 　 (2023·泰州市高二期中)(1)在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，实验简要步骤如下： A.根据油酸酒精溶液的浓度，算出1滴溶液中纯油酸的体积V，用公式d ＝　，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小 B.用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒， 记下量筒内增加一定体积时的滴数 C.用浅盘装入约2 cm深的水，然后将爽身粉或细石膏粉均匀地撒在水面 D.将1滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板 放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描绘在玻璃板上 例2 E.将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数(不足半 个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长求出油膜的面积S 上述实验步骤的合理顺序是____________________； CBDEA(或BCDEA) 实验步骤为：将配制好的油酸酒精溶液，通过量筒测出1滴此溶液的体积。然后将1滴此溶液滴在撒有爽身粉的浅盘里的水面上，待形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔描绘出油酸膜的形状，将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，按不足半个舍去，多于半个的算一个，统计出油酸薄膜的面积。用1滴此溶液中纯油酸的体积除以1滴此溶液的面积，恰好就是油酸分子的直径，故合理的顺序排列为：CBDEA或BCDEA。 (2)以上实验所用的油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸0.6 mL，用注射器测得1 mL上述溶液有80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，得到油酸薄膜的轮廓形状如图所示，图中正方形格的边长为1 cm，则可求得： ①1滴溶液中纯油酸的体积是___________ mL； ②油酸分子的直径是_________ m(保留一位有 效数字)。 7.5×10－6 6×10－10 由题图所示油膜可知，油膜所占坐标纸的格数是118个，油膜的面积为S＝1 cm×1 cm×118＝118 cm2 (3)在实验操作及数据处理过程中，以下说法中不正确的是___。 A.处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列 B.处理数据时将1滴油酸酒精溶液的体积除以油膜面积就得到了油酸分子 　的直径 C.若实验中撒的爽身粉过多，则计算得到的油酸分子的直径将偏大 D.若求每滴溶液中纯油酸的体积时，1 mL溶液的滴数多记了10滴，则计 　算得到的油酸分子的直径将偏小 B 处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列，选项A正确，不符合题意； 处理数据时将1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积除以油膜面积就得到了油酸分子的直径，选项B错误，符合题意； 若实验中撒的爽身粉过多，则油膜不能完全散开，油膜面积测量值偏小，则计算得到的油酸分子的直径将偏大，选项C正确，不符合题意； 若求每滴溶液中纯油酸的体积时，1 mL溶液的滴数多记了10滴，则计算得到的1滴油酸酒精溶液中所含的纯油酸的体积偏小，则油酸分子的直径将偏小，选项D正确，不符合题意。 课时对点练 1.(2022·江苏泗阳县实验高级中学高二月考)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，下列说法正确的是 A.实验中使用油酸酒精溶液，酒精的作用是能使油酸和爽身粉之间形成 　清晰的边界轮廓 B.本实验不考虑油酸分子间的间隙 C.将油酸酒精溶液滴入水中后应立即迅速描绘油膜轮廓 D.为减小实验误差，应往均匀撒好爽身粉的浅盘中多滴几滴油酸酒精溶液 1 2 3 4 5 6 7 √ 基础对点练 实验中使用到酒精溶液，其中酒精的作用是对油酸起稀释作用，尽可能地减少滴入水面的油酸的含量，故A错误； 油膜是呈单分子分布的，实验中把油酸分子看成球形，分子间没有空隙，故B正确； 溶液滴入水中后，应让油膜尽可能散开，形成单分子油膜，稳定后再把油膜的轮廓画在玻璃板上，然后用坐标纸计算油膜的面积，故C错误； 多滴几滴油酸酒精溶液，不利于形成单分子油膜，故D错误. 1 2 3 4 5 6 7 2.(2023·苏州市高二期中)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，配成的溶液需静置较长时间 B.将油酸酒精溶液滴在水面上时，滴管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爽身粉 D.用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成规则形状 √ 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 酒精易挥发，静置较长时间油酸分子浓度会变大，为减小误差，溶液应现配现用，A错误； 若离水面太高，可能无法形成油膜，故将油酸酒精溶液滴在水面上时，滴管距水面距离需要近一些，B正确； 为清晰显示油膜的边界，爽身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，且只要是单分子层油膜即可，对油膜形状没有要求，D错误。 3.(2022·南通市高二期末)某同学在做油膜法估测油酸分子直径的实验时，滴下油酸酒精溶液后，发现爽身粉迅速散开形成如图所示的“锯齿”边沿图案，可能是由于 A.盆中水太多 B.爽身粉撒得太多，且厚度不均匀 C.盆太小，导致油酸无法形成单分子层油膜 D.油酸酒精溶液浓度过大 √ 1 2 3 4 5 6 7 由题图中情况可知，油酸并没有充分地推开爽身粉，故原因是爽身粉撒得太多，且厚度不均匀，因此选B。 4.(2023·徐州市高二期中)在“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中，将1 mL的纯油酸配制成5 000 mL的油酸酒精溶液，用注射器测得1 mL溶液为80滴，再滴入1滴这样的溶液到准备好的浅盘中，描出油膜轮廓，数出油膜共占140个小方格，每格边长是0.5 cm，由此估算出油酸分子直径为 A.7×10－9 m B.3×10－9 m C.7×10－10 m D.3×10－10 m 1 2 3 4 5 6 7 √ 1 2 3 4 5 6 7 5.(2019·全国卷Ⅲ)用油膜法估算分子大小的实验中，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___________________。 1 2 3 4 5 6 7 使油酸在浅盘的水面上 容易形成一块单分子层油膜 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 单分子层油膜的面积 1 2 3 4 5 6 7 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也会很大，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块单分子层油膜。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层油膜的面积之比，即d＝ ，故除测得一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积外，还需要测量单分子层油膜的面积。 6.在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，实验步骤如下： A.将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃 板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描在玻璃板上。 B.用公式d＝ 求出薄膜厚度，即油酸分子的大小。 C.已知实验室中使用的油酸酒精溶液的体积浓度为c，将此油酸酒精溶液 一滴滴地滴入小量筒中，当滴入N滴溶液时小量筒内溶液体积为V。 C.已知实验室中使用的油酸酒精溶液的体积浓度为c，将此油酸酒精溶液 一滴滴地滴入小量筒中，当滴入N滴溶液时小量筒内溶液体积为V。 1 2 3 4 5 6 7 能力综合练 D.将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数x(不足 半个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长为a，求出油膜 的面积。 E.用浅盘装入约2 cm深的水。 (1)将上述实验步骤进行排序，正确的顺序应该是__________(写步骤前的序号)；上述步骤中有一处遗漏和不完整，请指出并补充完整________ ___________________________________。 1 2 3 4 5 6 7 CEADB 在水面上均匀地撒上爽身粉或细石膏粉 步骤A中， 1 2 3 4 5 6 7 应该先配制溶液→准备浅盘→将溶液滴到水面上→描出轮廓→求出体积→根据公式算出分子直径。因此顺序为：CEADB。步骤A中应在浅盘的水面上均匀地撒上爽身粉或细石膏粉，以便描出油酸的轮廓。 (2)实验中要让油酸在水面尽可能散开，形成单分子油膜，并将油膜分子看成球形且紧密排列。本实验体现的物理思想方法为____。 A.控制变量法 B.理想化模型法 C.极限思想法 D.等效替代法 1 2 3 4 5 6 7 B 将油酸分子看成球形，在水面上形成单分子油膜。本实验体现的物理思想方法为理想化模型法。故选B。 (3)从图中可数出小正方形的有效个数x＝_______。油酸分子的直径d＝ _______(用题中给出的符号表示)。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图甲所示。坐标格的每个小正方形大小为2 cm×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(保留1位有效数字)。 7.(2022·南京市第一中学高二阶段练习)(1)在“用油膜法估测分子大小”的实验中，用移液管量取0.25 mL油酸，倒入标注250 mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250 mL的溶液。然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入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溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放 1 2 3 4 5 6 7 256 8×10－10 1 2 3 4 5 6 7 通过数格就能计算油膜的面积，多于半个格的算一个，少于半个格的舍去，由题图所示油膜可知，油膜的面积为S＝256 cm2＝0.025 6 m2 (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1.4×10－8 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1位有效数字)。 1 2 3 4 5 6 7 9×10－10 圆周周长为2πR＝π×1.4×10－8 m，为48个铁原子的直径之和，所以 铁原子的直径为d＝　 　　　　　　　≈9×10－10 m。 (3)做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验时，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 　酒精溶液的实际浓度比计算值小了 B.乙同学用注射器测得58滴油酸酒精的溶液为1 mL，不小心错记录为59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 　了一个注射器取一滴溶液滴在水面上，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 1 2 3 4 5 6 7 A 1 2 3 4 5 6 7 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，d偏大，A正确； 乙同学用注射器测得58滴油酸酒精的溶液为1 mL，不小心错记录为59滴，算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积偏小，由d＝ 可得，d偏小，B错误； 1 2 3 4 5 6 7 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滴溶液滴在水面上，这个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还是按原来的算的，由d＝ 可得，d偏小，C错误； 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，计算出的油膜的面积S偏大，由d＝ 可得，d偏小，D错误。 d＝ 1滴溶液中纯油酸的体积是V＝× mL ＝7.5×10－6 mL， 油酸分子的直径是d＝＝ cm＝6×10－10 m。 根据题意1滴油酸酒精溶液中含有的纯油酸体积为V＝ mL×，油膜轮廓的面积为S＝0.5×0.5×10－4×140 m2＝3.5×10－3 m2 故油酸分子直径为d＝≈7×10－10 m，故选C。 超过半个的算一个，小于半个的不算，总共为8个。 纯油酸的总体积为cV，每一滴中所含纯油酸的体积为 V0＝，每个小格的面积为a2，共有x个小格，因此 油膜的总面积S＝a2x，油酸分子直径为d＝＝。 两滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积为V＝2× ×＝2×10－5 mL＝2×10－5 cm3 油酸分子的直径为d＝＝ m≈8×10－10 m。 m $$