第15章 实验二十 用油膜法估测油酸分子的大小-【优化探究】2026高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版）

实验二十　用油膜法估测油酸分子的大小 第十五章　热学 1 实验技能　自主学习 实验要点　互动探究 命题点一　教材原型实验 分层训练　巩固提高 命题点二　实验创新设计 内容索引 2 实验技能　自主学习 一 3 1.实验原理 实验采用使油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法估测分子的大小。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，并很快挥发，在水面上形成如图甲所示形状的一层纯油酸薄膜。如果算出一定体积的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积，即可算出油酸分子的大小。用V表示一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积，用S表示单分子油膜的面积，用d表示油酸分子的直径，如图乙所示，则d＝。 2.实验器材 盛水浅盘、注射器(或滴管)、容量瓶、坐标纸、玻璃板、爽身粉、油酸酒精溶液、量筒、彩笔。 3.实验过程 (1)配制油酸酒精溶液，取纯油酸1 mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500 mL刻度线为止。 (2)用注射器(或滴管)将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积时的滴数，算出每滴油酸酒精溶液的体积V0。 (3)向浅盘里倒入约2 cm深的水，并将爽身粉均匀地撒在水面上。 (4)用注射器(或滴管)将一滴油酸酒精溶液滴在水面上。 (5)待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，并将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上。 (6)将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S(求面积时以坐标纸上边长为1 cm 的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数，不足半格的舍去，多于半格的算一个)。 (7)根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V，并代入公式d＝，算出油酸薄膜的厚度d。 (8)重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即为油酸分子直径的大小。 1.数据处理 (1)一滴油酸酒精溶液的平均体积 。 (2)一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积 V＝×油酸溶液的体积比。(体积比＝) (3)油膜的面积S＝n×1 cm2。(n为有效格数，小方格的边长为1 cm) (4)分子直径d＝。(代入数据时注意单位的统一) 2.注意事项 (1)干净：实验所有用具都要擦洗干净，否则难以形成油膜。 (2)适量：爽身粉和油酸的用量都不要太大，否则不宜成功。 (3)适宜：油酸酒精溶液的浓度以小于1%为宜，且配置好后不要长时间放置，以免浓度发生改变，造成较大的实验误差。 (4)水平、垂直：浅盘要水平放置，以便准确描绘出油膜的轮廓；描绘轮廓线时，视线应与玻璃板表面垂直。 (5)稳定：待油膜形状稳定后，再画油膜轮廓。 (6)规范：计算时注意单位、数量级以及有效数字等。 3.误差分析 (1)偶然误差：实验时配制的油酸酒精溶液的浓度不准确、油酸在水面展开不完全、油酸膜面积的计算不准确都将影响实验结果的准确性。 (2)系统误差：实验中将油酸分子视为球体，与实际分子形状有区别，实验只能得到分子直径的数量级，而不能得到准确值。 实验要点　互动探究 二 11 命题点一　教材原型实验 12 [典例1]　在“用油膜法估测油酸分子直径”的实验中，我们通过宏观量的测量间接计算微观量。 (1)本实验利用了油酸分子易在水面上形成________(选填“单层”或“多层”)分子油膜的特性。若将一滴油酸酒精溶液滴到水面上，这滴溶液中含有纯油酸体积为V，形成面积为S的油酸薄膜，则由此可估测油酸分子的直径为________。  角度1　实验原理与操作 [解析]　本实验利用了油酸分子易在水面上形成单层分子油膜的特性。若将一滴油酸酒精溶液滴到水面上，这滴溶液中含有纯油酸的体积为V，形成面积为S的油酸薄膜，则由此可估测油酸分子的直径为d＝。 单层 13 (2)某同学实验中先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，测量并计算一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积后，接着又进行了下列操作： A.将一滴油酸酒精溶液滴到水面上，在水面上自由地扩展为形状稳定的油酸薄膜 B.将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上计算油酸薄膜的面积 C.将玻璃板盖到浅水盘上，用彩笔将油酸薄膜的轮廓画在玻璃板上 D.向浅盘中倒入约2 cm深的水，将痱子粉均匀地撒在水面上 以上操作的合理顺序是________。  DACB　 [解析]　实验中先在浅盘中倒入约2 cm深的水，将痱子粉均匀地撒在水面上；然后将一滴油酸酒精溶液滴到水面上，在水面上自由地扩展为形状稳定的油酸薄膜；将玻璃板盖到浅水盘上，用彩笔将油酸薄膜的轮廓画在玻璃板上；将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上计算油酸薄膜的面积。合理的顺序是DACB。 (3)该同学做完实验后，发现自己所测的分子直径d明显偏大。出现这种 情况的原因可能是________。  A.将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算 B.油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发使溶液的浓度发生了变化 C.水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开 D.计算油膜面积时，将不完整的方格作为完整方格处理 AC [解析]　该同学做完实验后，发现自己所测的分子直径d明显偏大。根据d＝可知，将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算，则V偏大，测得的分子直径d偏大，选项A正确；油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发使溶液的浓度变大，计算时仍按原来的浓度计算，则测得的分子直径偏小，选项B错误；水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开，则S的测量值偏小，分子直径测量值偏大，选项C正确；计算油膜面积时，将不完整的方格作为完整方格处理，则S测量值偏大，则分子直径测量值偏小，选项D错误。 (4)将1 cm3的油酸溶于酒精，制成200 cm3的油酸酒精溶液；测得1 cm3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 成的油膜面积是0.16 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)。  [解析]　一滴该油酸酒精溶液含纯油酸的体积为V＝× cm3＝1× 10－10 m3 油酸分子的直径为d＝ m≈6×10－10 m。 6×10－10 [典例2]　在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，某同学操作如下： ①取1.0 mL油酸配成250 mL油酸酒精溶液； ②用滴管吸取1.0 mL油酸酒精溶液逐滴滴入量筒中，全部滴完共滴了20滴； ③在边长约10 cm的正方形浅盘内注入适量的水，将痱子粉均匀地撒在水面上，用滴管滴入一滴溶液； 角度2　数据处理与分析 ④待油膜形状稳定后，将绘有方格的玻璃板放在浅盘上，绘出油酸膜的轮廓(如图所示)，每个方格的边长为1.0 cm。 (1)该实验中一滴油酸酒精溶液含________mL油酸。  [解析]　该实验中一滴油酸酒精溶液含纯油酸× mL＝2×10－4 mL。 2×10－4 (2)由上述数据估算得到油酸分子直径的数量级约为________m。  [解析]　油膜的面积约为S＝57× 12×10－4 m2＝5.7×10－3 m2；则分子直径d＝ m≈3.5 ×10－8 m， 则油酸分子直径的数量级约为 10－8 m。 10－8 (3)若该同学在计算油酸膜面积时，对不完整的方格均不计数，由此估 算得到的油酸分子直径数量级将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。  [解析]　若该同学在计算油酸膜面积 时，对不完整的方格均不计数，则算得的油膜的面积偏小，则由此估算得到的油酸分子直径偏大，但是数量级不变。 不变 (4)已知油酸分子的直径约为8×10－10 m，该同学实验结果产生偏差的可能原因是：________________， _________________。  [解析]　该同学的实验结果偏大，产生偏差的可能原因是：油酸膜可能没有充分展开，形成的并不是单分子油膜层；理由 是：2×10－10 m3的油酸若形成紧密排列的单分子膜时，膜面积约为0.25 m2，远大于浅盘内的水面面积，说明实际上油膜不可能仅是一层油酸分子构成的。 [答案]　见解析 命题点二　实验创新设计 25 [典例3]　测量分子大小的方法有很多，如油膜法、显微法。 (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酒精溶液，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，带有正方形坐标格的玻璃板轻放在浅盘上观察油膜，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(保留一位有效数字)。  256 8×10－10 [解析]　数油膜的正方形格数，大于半格的算一格，小于半格的舍去，得到油膜的面积S＝64×2 cm×2 cm＝256 cm2。溶液浓度为，每滴溶液体积为 mL，2滴溶液中所含油酸体积为V＝2×10－5 cm3，油膜厚度即油酸分子的直径是d＝≈8×10－10 m。 (2)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(结果保留两位有效数字)。  [解析]　直径为1.43×10－8 m的圆周周长为l＝πd≈4.5×10－8 m，可以估算出铁原子的直径约为d'＝ m≈9.4×10－10 m。 9.4×10－10 分层训练　巩固提高 三 29 1.(5分)(经典高考题)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___________________。  2 3 4 5 6 1 使油酸在浅盘的水面 上容易形成单分子层油膜 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 30 解析：用油膜法估测分子直径时，需使油酸在水面上形成单分子层油膜，为使油酸尽可能地散开，将油酸用酒精稀释。根据V＝Sd，要求得分子的直径d，则需要测出油膜面积以及一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积。测一滴油酸酒精溶液的体积，其方法可用累积法，即测出1 mL油酸酒精溶液的滴数。 2 3 4 5 6 1 31 2.(5分)(经典高考题)在用油膜法估测分子大小的实验中，均匀撒痱子粉 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充分散开后面积为S，溶液的 浓度为n，估算该油酸分子的直径为________。  2 3 4 5 6 1 油酸分子层在水中边界清晰的轮廓 解析：在用油膜法估测分子大小的实验中，均匀撒痱子粉有利于形成油酸分子层在水中边界清晰的轮廓，便于记录油酸分子层的面积。纯油酸的体积V纯＝Vn，油酸分子直径d＝。 32 3.(6分)油膜法测定分子的直径， 1 mL的油酸加入酒精中配制1 000 mL的油酸酒精溶液， 1 mL溶液通过滴管实验测得为80滴，取1滴溶液滴在撒有痱子粉的浅水槽中，待油膜界面稳定后测得油膜面积为260 cm2。 (1)试估算油酸分子的直径_____________(保留一位有效数字)。  2 3 4 5 6 1 解析：测得油膜面积S＝260 cm2＝2.6×10－2 m2 每一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V＝× mL＝1.25× 10－11 m3 所以油酸分子的直径d＝ m≈5×10－10 m。 5×10－10 m 33 (2)按照一定比例配制的油酸酒精溶液置于一个敞口容器中，如果时间 偏长，会影响分子尺寸测量结果，导致测量值________(选填“偏大”或“偏小”)。  2 3 4 5 6 1 解析：放置时间偏长，油酸酒精溶液中的酒精会挥发，导致溶液浓度 增大，但计算时仍会按照之前配制的溶液浓度计算，会导致一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积与实际相比偏小，从而导致分子尺寸测量结果偏小。 偏小 34 4.(6分)将每个油酸分子视为球体，把1滴油 酸酒精溶液滴入足够大盛水的浅盘中，由 于酒精溶于水，油酸在水面展开，根据稳 定后形成的油膜面积可以估算油酸分子的 直径。所用油酸酒精溶液的浓度为每500 mL 油酸酒精溶液中有纯油酸0.35 mL，现用滴 管向量筒内滴加50滴上述溶液，量筒中的 溶液体积增加了0.5 mL，油膜稳定后的形状如图所示，每一小方格的边长为2 cm，试问： 2 3 4 5 6 1 35 (1)让油酸尽可能地在水面上散开，则形成 的油膜可视为________层油膜，这层油膜 的厚度可视为油酸分子的________。  2 3 4 5 6 1 解析：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层油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的直径。 单分子 直径 36 (2)根据上述数据，估测出油酸分子的直径 是_____________________ cm(结果保留两 位有效数字)。  2 3 4 5 6 1 解析：一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V＝× mL＝7×10－6 mL 油膜的面积S＝70×2×2 cm2＝280 cm2 则分子直径d＝ cm＝2.5× 10－8 cm。 2.4×10－8~2.6×10－8 37 5.(8分)在做“用油膜法估测分子直径的大小”的实 验中： 2 3 4 5 6 1 (1)在本实验中“将油酸分子看成紧密排列的球 体，在水面形成单分子油膜”，体现的物理思想 方法是________。  解析：此实验把油酸分子看成紧密排列的球体，把在水面上形成的油膜看成是单分子油膜，是建立模型的方法。 建模法 38 (2)若所用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，描出的油酸膜的轮廓形状如图所示，坐标中正方形方格的 边长为1 cm，由此可估测油酸分子的直径是___________m(保留一位有效数字)。  2 3 4 5 6 1 解析：由题图可知，油膜所占方格数约为129个，则油膜的面积S＝129×1 cm2＝ 129 cm2；每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V＝×＝8×10－6 cm3；则油酸分子的直径d＝＝6× 10－8 cm＝6×10－10 m。 6×10－10 39 (3)关于本实验，下列操作正确的是________。  A.配置好的油酸酒精溶液长时间暴露在空气中，能进行实验 B.将一滴油酸酒精溶液滴在水面时，滴管距水面尽可能远些 C.在水面滴入一滴油酸酒精溶液后，应立即测量油膜面积 D.描绘油膜轮廓时，玻璃板距水面不能过高 2 3 4 5 6 1 D 40 解析：如果将配置好的油酸酒精溶液长时间暴露在 空气中，酒精挥发，溶液的浓度改变，会给实验带 来较大误差，故不能用该溶液进行实验，A错误； 将一滴油酸酒精溶液滴在水面时，若滴管距水面较 远，溶液受到水的冲击过大，可能无法形成一块完 整的油膜，不便于测量油膜面积，B错误；如果在 水面滴入一滴油酸酒精溶液后，立即测量油膜面积，则油膜中含有大量未溶解入水中的酒精，导致所测油膜的面积误差较大，由d＝可知，油酸分子直径d的计算值误差较大，C错误；描绘油膜轮廓时，若玻璃板距水面过高，会导致油膜形状的记录出现较大偏差，D正确。 2 3 4 5 6 1 41 6.(10分)(1)如图所示的四幅图反映“用油膜法估测油酸分子的大小”实 验中的四个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是________(用符号表示)。  2 3 4 5 6 1 解析：“用油膜法估测油酸分子的大小”实验步骤为：配制油酸酒精溶液，测定一滴油酸酒精溶液的体积→准备浅水盘，形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积并计算分子直径，则操作先后顺序应是cadb。 cadb　 42 (2)取油酸1.0 mL注入250 mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面到达250 mL的刻度线为止，得到油酸酒精混合溶液，用滴管吸取混合溶液逐滴滴入量筒，当量筒内溶液达到1.0 mL时，恰好共滴了100滴。取一滴混合溶液滴在浅盘内的水面上(已撒爽身粉)，数得油膜轮廓占面积为1 cm2小格子120格(不足半格舍去，多于半格算1格)，则油酸分 子的直径为______________ m(结果保留两位有效数字)。  2 3 4 5 6 1 解析：油膜面积占120格，面积为S＝120×1×10－4 m2＝1.2×10－2 m2 一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V＝××10－6 m3＝4× 10－11 m3 油酸分子的直径约等于油膜的厚度，d＝ m≈3.3×10－9 m。 3.3×10－9 43 (3)用油膜法测出油酸分子的直径后，要测定阿伏伽德罗常量，还需要 知道油酸的________。  A.摩尔质量　　　　 B.摩尔体积 C.质量 D.体积 2 3 4 5 6 1 解析：设一个油酸分子体积为V，则V＝π()3，由NA＝可知，要测定阿伏伽德罗常量，还需知道油酸的摩尔体积，故B正确。 B 44 $$