第1章 第1节 第1课时 实验：用油膜法估测油酸分子的大小-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（粤教版2019）

第一章　分子动理论 第一节　物质是由大量分子组成的 第1课时　实验：用油膜法估测油酸分子的大小 1．会用油膜法估测油酸分子的大小.2.学习建立简化模型、合理估算的科学方法.3.体会一种借宏观量来研究微观量的方法，用分割法测不规则形状的面积． 一　实验思路 1．根据油酸分子的特性，当将油酸滴在水面上时，密度较小的油酸会在水面散开，形成极薄的一层油膜．油酸分子中较大的“头部”(烃链C17H33—)不溶于水，而很小的“尾巴”(羧基—COOH)对水有很强的亲和力．因此，油酸分子在水中会竖起来，“头部”露出水面，而“尾巴”则留在水中．若水面足够大，油膜展开得足够充分，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． 2．若将油酸分子视为球体，忽略分子间距离，则只需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． 二　实验器材 油酸、酒精、烧杯、滴管、量筒、浅盘、清水、痱子粉、带有网格线的透明塑料盖板、彩笔． 三　实验步骤 1．测算1滴溶液中纯油酸的体积V 用滴管将体积分数为0.2%的油酸酒精溶液滴入量筒，根据溶液体积分数、滴数和体积的关系，可以测算出1滴溶液中油酸体积的平均值． 2．测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S 测量油膜面积的关键是让油膜形成明显的边界．在水平放置的浅盘(约30 cm×40 cm)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．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．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．估算出油膜的面积S. 3．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，然后利用公式d＝计算出油酸分子的直径，并取其平均值． 课堂任务　测量过程·获取数据 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：实验中使用酒精来稀释油酸，请分析为何要稀释油酸． 提示：为了使油酸充分展开，获得一块单分子层油膜，需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，从而获得纯油酸形成的油膜． 活动2：配置好的油酸酒精溶液如果敞开放置时间过长，会怎么样？ 提示：酒精会挥发，溶液中的油酸浓度会发生变化，影响实验精度． 课堂任务　分析数据·得出结论 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：本实验中一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积应如何表示？ 提示：一滴油酸酒精溶液的体积V′＝(N为溶液的滴数，V液为N滴油酸酒精溶液的体积)，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V＝V′·η(η为溶液中油酸的体积浓度)． 活动2：如图，如何计算油膜的面积？ 提示：根据画有油膜轮廓的盖板上的坐标方格，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．然后，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. 活动3：通过对实验数据的分析，能得到什么结论？ 提示：将实验数据填入自己设计的表格中，然后利用公式d＝计算出油酸分子的直径，并取其平均值，即可估测出油酸分子的直径大小． 活动4：实验中有哪些误差？ 提示：(1)油酸酒精溶液配制后长时间放置，由于酒精的挥发会导致溶液的浓度改变，从而给实验带来较大的误差． (2)测量油酸酒精溶液的体积时，没有使用正确的观察方法而产生误差． (3)油酸的体积过大，或水面面积过小，痱子粉撒得过厚，不能形成单分子油膜． (4)描绘油膜形状的画线误差． (5)利用小正方形数计算油膜的面积时，轮廓的不规则性容易带来计算误差． (6)不考虑油酸分子的空隙，计算分子直径时的误差． 活动5：该实验是采用了什么方法来测量分子直径的？ 提示：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． 课堂任务　典例探究·提升能力 例1　(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的简要步骤如下： A．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. B．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，将带有网格线的透明塑料盖板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描画在塑料盖板上． C．用浅盘装入约2 cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上． D．用公式d＝，求出薄膜厚度，即油酸分子直径的大小． E．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. F．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． 上述实验步骤的合理顺序是____________． (2)在步骤B中滴入盛水浅盘中的油酸酒精溶液所含的纯油酸的体积为4.0×10－6 mL，画有油膜轮廓的盖板上方格边长为1 cm，水面上散开的油膜轮廓如图所示，该油膜面积为________ cm2，油酸分子直径约为________ m. [规范解答]　(1)由实验原理及过程知，实验步骤的合理顺序为FECBAD. (2)方格数为90，则油膜面积为90×1 cm2＝90 cm2，油酸分子直径为d＝＝ m≈4.4×10－10 m. [答案]　(1)FECBAD　(2)90　4.4×10－10 　用油膜法估测油酸分子大小的解题思路 (1)首先要按比例关系计算出纯油酸的体积V. (2)其次采用“半格法”计算出油膜的面积S. (3)最后利用公式d＝求出的数值就是油酸分子直径的大小． [变式训练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，配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，待其散开稳定； ④在浅盘上覆盖透明玻璃，描出油膜形状，用透明方格纸估测油膜的面积． 改正其中的错误：_________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. (2)若油酸酒精溶液体积浓度为0.10%，一滴溶液的体积为4.8×10－4 mL，其形成的油膜面积为40 cm2，则估测出油酸分子的直径为________ m. 答案　(1)②应在量筒中滴入N滴该溶液，计算得出一滴该溶液的体积；③应在水面上先均匀地撒上痱子粉 (2)1.2×10－10 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滴溶液的体积，再算出一滴溶液的体积．③油酸在水面上形成的油膜形状不易观察，可先在水面上均匀地撒上痱子粉，再滴油酸酒精溶液，稳定后就呈现出清晰轮廓． (2)一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V＝4.8×10－4×0.10% mL＝4.8×10－7 mL，则油酸分子的直径d＝＝ m＝1.2×10－10 m. 例2　在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，油酸酒精溶液的浓度约为每104 mL溶液中有纯油酸6 mL.用注射器测得1 mL上述溶液为75滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油酸膜的轮廓，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图所示，坐标纸中正方形方格的边长为1 cm.则： (1)油酸膜的面积是________； (2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是____________； (3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径是____________． [规范解答]　(1)计算油酸膜轮廓范围内正方形的个数，多于半个的算一个，不足半个的舍去，由题图知，正方形小方格有108个，那么油酸膜面积S＝108×1 cm2＝108 cm2. (2)1 mL油酸酒精溶液为75滴，则1滴该溶液的体积为 mL，又每104 mL溶液中有纯油酸6 mL，则每滴溶液中纯油酸的体积V＝× mL＝8×10－6 mL. (3)油酸分子的直径d＝＝ cm≈7.4×10－8 cm＝7.4×10－10 m. [答案]　(1)108 cm2　(2)8×10－6 mL　(3)7.4×10－10 m (1)求面积S：以坐标纸上的正方形为单位，数出正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个．把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积． (2)求体积V：1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V＝nV1，式中n为溶液中油酸的体积浓度，n＝；V1为一滴溶液的体积，V1＝，N为体积是V总的溶液的滴数． [变式训练2]　在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，将0.1 mL的油酸溶于酒精，制成250 mL的油酸酒精溶液，用注射器测得1.0 mL上述溶液有100滴，现取一滴该溶液滴入水面上，将油膜形状画在每小格边长为1.0 cm的方格纸上，数出完整的方格有67个，大于半格的有14个，小于半格的有19个．则： (1)这种估测方法是将每个分子近似看成________，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为单分子油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的________． (2)利用上述有关数据可求得的油膜分子直径约为________ m．(结果保留两位有效数字) (3)在配制油酸酒精溶液时，若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一些，会导致算出的油酸分子直径比实际值________(填“偏大”或“偏小”)． 答案　(1)球体　直径 (2)4.9×10－10　(3)偏大 解析　(1)这种估测方法是将每个分子视为球体，让油酸尽可能地在水面上散开，形成的油膜可视为单分子油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的直径． (2)一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积为V＝× mL＝4.0×10－12 m3.根据题意，完整的方格有67个，大于半格的有14个，小于半格的有19个，根据不足半格的舍去，大于半格的算一个，可知方格个数为n＝67＋14＝81，则油膜面积为S＝81×1.0 cm×1.0 cm＝81 cm2＝8.1×10－3 m2，油酸在水面上形成单分子油膜，则油酸分子直径为d＝＝ m＝4.9×10－10 m. (3)在配制油酸酒精溶液时，若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一些，则计算的一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积偏大，根据d＝可知，会导致算出的油酸分子直径比实际值偏大． 1．利用油膜法估测油酸分子的直径，需要知道(　　) A．油酸的质量和体积 B．油酸的质量和密度 C．油酸的体积和密度 D．油酸的体积和单分子油膜的面积 答案　D 解析　由d＝可知D正确． 2．(多选)“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的科学依据是(　　) A．将油膜看成单分子油膜 B．不考虑各油酸分子间的间隙 C．考虑了各油酸分子间的间隙 D．将油酸分子看成球体 答案　ABD 解析　由实验原理可得出A、B、D正确． 3．“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，纯油酸体积为V，在水面上形成近似圆形的单分子油膜，油膜直径为d，则油酸分子直径大小约为(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　由题知油膜的面积约为S＝πR2＝d2，故油酸分子直径为D＝＝，A正确． 4．体积为10－4 cm3的油酸，滴在水面上散开，形成一单分子油膜，则油膜面积的数量级为(　　) A．102 cm2 B．104 cm2 C．106 cm2 D．108 cm2 答案　B 解析　油酸在水面上散开，形成单分子油膜，单分子油膜的厚度等于油酸分子的直径，数量级为10－10 m，则油膜面积的数量级为：S＝＝ cm2＝104 cm2，故B正确． 5．1 mL某种油可滴100滴，把一滴油滴在平静的湖面上，扩展成面积为25 m2的油膜，这种油分子直径的大小约为________． 答案　4×10－10 m 解析　1滴油的体积V＝ mL＝10－8 m3，扩展成单分子油膜时体积不变，有V＝Sd，则d＝＝ m＝4×10－10 m. 6．在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，以下几个主要的操作步骤相应要获得的实验数据是： (1)配制油酸酒精溶液时，必须记录并算出________________________． (2)用滴管取配制好的油酸酒精溶液，然后逐滴滴入量筒中，…….这一步是为了测出____________________________． (3)用滴管将配制好的油酸酒精溶液在水面上滴入1滴，待水面上形成的油膜形状稳定后，…….这一步是为了测出________________________________________________． 答案　(1)油酸酒精溶液的体积浓度 (2)一滴油酸酒精溶液的体积 (3)一滴油酸酒精溶液中的纯油酸形成的单分子油膜的面积 7．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往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水，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，根据油酸的体积和油膜的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中纯油酸的体积． 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． 完成下列填空： (1)上述步骤中，正确的顺序是________．(填写步骤前面的数字) (2)将1 mL的油酸溶于酒精，制成300 mL的油酸酒精溶液；测得1 mL的油酸酒精溶液有50滴．现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上，测得所形成的油膜的面积是0.13 m2.由此估算出油酸分子的直径为________ m．(结果保留一位有效数字) 答案　(1)④①②⑤③　(2)5×10－10 解析　(1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，应先配制油酸酒精溶液，计算一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积；再往盘中倒入水，并撒痱子粉；然后用注射器将配好的溶液滴一滴在水面上，待油膜形状稳定；再将玻璃板放于浅盘上，用彩笔将油膜形状描绘在玻璃板上；最后计算油膜面积S，由d＝计算油酸分子的直径；故正确的顺序为④①②⑤③. (2)一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V＝× m3，故油酸分子的直径d＝＝5×10－10 m. 8．在做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，油酸酒精溶液的浓度为每104 mL溶液中有纯油酸6 mL，用注射器测得1 mL上述溶液中有液滴50滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，随后把玻璃板放在坐标纸上，其形状如图所示，坐标纸中正方形小方格的边长为20 mm，则： (1)油膜的面积是____________； (2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是____________； (3)根据上述数据，估测出油酸分子的直径是____________． 答案　(1)2.4×10－2 m2　(2)1.2×10－11 m3 (3)5×10－10 m 解析　(1)由题图可以数出油膜轮廓内正方形个数n＝60，则油膜面积S＝nL2＝60×(20×10－3)2 m2＝2.4×10－2 m2. (2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V＝× mL＝1.2×10－5 mL＝1.2×10－11 m3. (3)油酸分子的直径d＝＝ m＝5×10－10 m. 9．(1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，用移液管量取0.28 mL油酸，倒入容量瓶中，再加入酒精后得到200 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酒精溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下1滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图1所示．已知一个正方形坐标格的大小为4 cm2，由图可以估算出油酸分子的直径是________ m(保留一位有效数字)． 　 (2)某次实验时，滴下油酸酒精溶液后，痱子粉迅速散开形成如图2所示的“锯齿”边沿图案，出现该图案的可能原因是________． A．盆中装的水量太多 B．盆太小，导致油酸无法形成单分子层 C．痱子粉撒得太多，且厚度不均匀 答案　(1)6×10－10　(2)C 解析　(1)由题图1可读出，油酸薄膜所占正方形坐标格的格数约为60个，可得油酸薄膜的面积为S＝60×4 cm2＝240 cm2＝0.024 m2，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V＝× mL＝1.4×10－5mL＝1.4×10－11 m3，故油酸分子的直径为d＝＝ m＝6×10－10 m. (2)形成如题图2所示的“锯齿”边沿图案，是因为痱子粉撒得太多，且厚度不均匀，使得油酸不能均匀地扩散，故选C. 10．(1)某同学在“用油膜法估测油酸分子的大小”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．油酸酒精溶液未密封放置了较长时间 C．计算油膜面积时舍去了所有不足一个的方格 D．求每滴溶液体积时，1 mL的溶液的滴数多记了10滴 (2)在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，油酸酒精溶液的浓度为每1000 mL溶液中有纯油酸0.1 mL，用注射器和量筒测得1 mL上述溶液有200滴，把一滴该溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的浅盘里，待油膜形状稳定后，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，则每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是________ mL，油酸膜的面积是________ cm2.根据上述数据，估测出油酸分子的直径是________ m. 答案　(1)AC　(2)5×10－7　40　1.25×10－10 解析　(1)油酸分子直径d＝，计算结果明显偏大，可能是V偏大或S偏小．若油酸未完全散开，所测S偏小，d偏大，A正确；由于酒精挥发，油酸酒精溶液浓度的实际值将大于理论值，从而导致计算所得的V偏小，d的计算结果将偏小，B错误；若计算油膜面积时舍去了所有不足一个的方格，则S偏小，d偏大，C正确；若求每滴溶液体积时，1 mL的溶液的滴数多记了10滴，则V偏小，d偏小，D错误． (2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为V＝× mL＝5×10－7 mL，油膜的面积为S＝40×1 cm2＝40 cm2，油酸分子直径d＝＝ m＝1.25×10－10 m. 9 学科网（北京）股份有限公司 $$