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

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。 一、实验思路 把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子中的烃基C17H33－组成。 把分子简化为球形处理，并认为它们紧密排布，测出油膜的厚度d，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体积V与它在水面上摊开的面积S之比，如图所示。 二、实验器材 配制好的一定浓度的油酸酒精溶液、浅盘、水、爽身粉、注射器、烧杯、带坐标方格的玻璃板、彩笔。 三、物理量的测量 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)用它们的总体积除以总滴数，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。 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，将爽身粉均匀地撒在水面上。 (2)用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水中散开，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，在玻璃板上描下薄膜的形状。 (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得到油膜的面积S。 四、数据分析 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10－10 m。 五、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，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。 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？ 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。 例1　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：_____________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (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________。 答案　(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)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　d＝ 解析　(1)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。 例2　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用滴管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，将爽身粉均匀地撒在水面上，再用滴管吸取油酸酒精溶液，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酸膜的轮廓； ⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，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。(结果保留一位有效数字) (2)某次实验时，小娜同学滴下油酸酒精溶液后，爽身粉迅速散开形成如图所示的“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________(选填选项前的字母) A．盆中装的水量太多 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 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的偏大的是________(选填选项前的字母) 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，单层油酸分子油膜的面积为S＝116×1×10－4 m2＝1.16×10－2 m2， 油酸分子直径约为d＝＝7×10－10 m (2)①出现该图样的可能原因是爽身粉撒得太多，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。 课时对点练 1．(多选)(2022·温州市统考)小明同学在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验，发现他测量出的分子直径明显偏大，出现这种情况的可能原因是(　　) A．水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开 B．将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算 C．求每滴溶液体积时，1 mL的溶液的滴数多计了5滴 D．油酸酒精溶液久置，酒精挥发使溶液的浓度发生了变化 答案　AB 解析　水面上痱子粉撒得较多，油膜没有充分展开，则测量的油酸面积S偏小，设油酸体积为V，则分子直径为d＝ 故计算出的分子直径偏大，故A正确； 纯油酸的体积等于滴入的油酸酒精溶液体积乘以浓度，计算时把油酸酒精溶液当成了纯油酸，则计算用的体积偏大，则测得的分子直径偏大，故B正确； 设1 mL的溶液有n滴，则纯油酸体积为 V＝×ρ浓度 滴数多计了5滴，则纯油酸体积将偏小，直径偏小，故C错误； 如果所用的油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发，导致油酸酒精溶液中的油酸浓度增大，1滴油酸酒精溶液形成的油膜面积偏大，则分子直径的测量结果偏小，故D错误。 2．(2023·浙江高二阶段练习)在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中： (1)本实验中做了三个理想化假设：将油酸分子视为球形；______________；油酸分子是紧挨在一起的； (2)本实验体现的物理思想方法是________。 A．理想模型法 B．控制变量法 C．等效替代法 (3)实验中所用的油酸酒精溶液为1 000 mL溶液中有纯油酸2 mL，用量筒测得1 mL上述溶液为100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，油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图甲所示，图中正方形方格的边长为2 cm，油膜所占方格数约为80个，可以估算出油膜的面积是________ m2(结果保留两位有效数字)，由此估算出油酸分子的直径是________ m(结果保留三位有效数字)。 (4)在一次实验中由于痱子粉撒得过多，得到了如图乙所示的油膜，如果按此油膜来计算分子直径，你认为测量结果相对真实值会________(选填“偏大”“偏小”或“无系统误差”)。 答案　(1)油酸分子形成单层分子膜　(2)A (3)0.032　6.25×10－10　(4)偏大 解析　(1)本实验中做了三个理想化假设：将油酸分子视为球形；油酸分子形成单层分子膜；油酸分子是紧挨在一起的； (2)在用油膜法估测分子大小的实验中，让一定体积的纯油酸滴在水面上形成单分子油膜，将油酸分子看作球形，认为油酸分子是一个紧挨一个紧密排列的，估算出油膜面积，从而求出分子直径，这里用到的方法是理想模型法。故选A。 (3)在本实验中将油膜分子看成紧密排列的球形，由题图甲可知，油膜的面积为 S＝80×20 mm×20 mm＝0.032 m2 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为 V＝1 mL××＝2×10－5 mL＝2×10－11 m3 油酸分子的直径为 d＝＝ m＝6.25×10－10 m (4)由题可知该次实验中痱子粉撒得太多，油膜未能充分展开，此时所测油膜面积偏小，所以油酸分子的直径测量结果相对真实值偏大。 3．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。 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_________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)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)。 答案　(1)CEADB　在水面上均匀地撒上痱子粉或细石膏粉　(2)8　 解析　(1)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)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＝＝。 4．(2022·杭州第二中学高二期中)(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．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．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 D．用浅盘装入约2 cm深的水，然后将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面 E．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画在玻璃板上 F．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________； (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和尺寸如图所示，图中正方形格的边长为1 cm，则可求得： ①油酸薄膜的面积是________ cm2； ②一滴溶液中纯油酸的体积是________ mL； ③油酸分子的直径是________ m；(结果保留一位有效数字) (3)在实验操作及数据处理过程中，以下说法中正确的是________。 A．为了防止酒精的挥发，配制的油酸酒精溶液不能长时间放置 B．处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列 C．处理数据时将一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 D．实验中油酸酒精溶液置于敞口容器中放置一段时间，实验测得分子直径偏小 答案　(1)BCDEFA　(2)①119　②7.5×10－6 ③ 6.3×10－10　(3)ABD 解析　(1)用油膜法估测分子的大小实验步骤为：准备浅盘，测一滴溶液体积，计算一滴溶液中纯油酸的体积，将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，描绘油膜形状，测油膜面积，算出薄膜厚度，故顺序为BCDEFA。 (2)①根据题图中信息，不足一半的方格舍去，超过一半的算1个，则小方格的总数为119个，则油膜的面积为 S＝119×1 cm2＝119 cm2 ②由题意可知，油酸酒精溶液中纯油酸的浓度为 c＝＝0.06% 一滴溶液的体积为 V0＝＝0.012 5 mL 则一滴溶液中纯油酸的体积为 V＝cV0＝0.012 5 mL×0.06%＝7.5×10－6 mL ③则由题意可知，油酸分子的直径为 d＝＝≈6.3×10－8 cm＝6.3×10－10 m (3)为了防止酒精的挥发，配制的油酸酒精溶液不能长时间放置，否则浓度会发生变化，故A正确； 处理数据时将油酸分子看成单分子层且不计分子间间隙，故B正确； 处理数据时将一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，故C错误； 将油酸酒精溶液置于一个敞口容器中放置一段时间，酒精挥发，导致每滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积增大，油膜面积增大，测得的分子直径偏小，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$