第1章 第2节 实验：用油膜法估测油酸分子的大小-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(鲁科版)

第2节　实验：用油膜法估测油酸分子的大小 一、实验目的 1．估测油酸分子大小(直径)，加深对分子大小数量级的认识。 2．通过建立适当的物理模型，学习利用宏观的测量来估算微观量的科学方法。 二、实验原理 我们利用油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法(图甲)估测分子大小。当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就会在水面上散开，其中的酒精溶于水中，并很快挥发，这样就在水面上形成一层单分子纯油酸薄膜(图乙)。如果把分子看作小球，那么可以认为油膜的厚度等于油酸分子的大小(直径)。测出一滴油酸的体积，并算出这滴油酸在水面上形成的单分子油膜的面积，就可估算出油酸分子的大小。 三、实验器材 量筒、注射器、浅盘、油酸酒精溶液、玻璃板、坐标纸、痱子粉或滑石粉、细彩笔、水。 四、实验步骤 1．用注射器吸入一定体积(如1 mL)事先配制好的油酸酒精溶液，再均匀地滴到玻璃杯中，记下滴出的总滴数，即可算出一滴油酸酒精溶液的体积V0。 2．在边长30～40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水，然后将痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上，用注射器将事先配制好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待其散开。 3．当油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板轻放在浅盘上，用细彩笔仔细地把油酸薄膜边缘的形状画在玻璃板上。 4．将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，用数格的方法(凡大于半个格的计为1个格，凡小于半个格的略去不计，数出总格数，再乘以每小格的面积，即为油膜的面积)估算出油膜的面积S。 5．根据油酸酒精溶液的浓度和已测出的一滴油酸酒精溶液的体积V0，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。 6．用公式D＝(D为油酸分子直径)，计算得到油酸分子的大小。 五、数据处理 根据油酸酒精溶液的浓度，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，即为油酸分子直径的大小。 (1)一滴油酸溶液的平均体积＝。 (2)一滴油酸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＝。(代入数据时注意统一单位) 六、注意事项 1．实验前，必须把所有的实验用具擦洗干净，否则难以形成油膜；实验时吸取油酸、酒精和溶液的移液管要分别专用，不能混用，否则会增大误差，影响实验结果。 2．油酸酒精溶液配制好后不要长时间放置，以免改变浓度，造成较大的实验误差。 3．浅盘中的水应保持平衡，痱子粉应均匀地撒在水面上。痱子粉不宜撒得过厚，油酸酒精溶液的浓度以小于为宜。 4．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。 5．待测油酸面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓。扩散后又收缩有两个原因：一是水面受油酸液滴的冲击凹陷后又恢复；二是酒精挥发后液面收缩。 6．实验中用酒精稀释油酸，而不是把纯油酸直接滴到水面，这是因为若不用酒精将油酸稀释，很多油酸分子会堆积在一起形成叠层油膜，不会形成单分子油膜，就无法测出分子直径；而且酒精容易挥发，避免了对实验产生额外的影响。另外，实验之所以选择用油酸，是因为油酸分子有亲水部分和疏水部分，很容易形成单分子油膜。 题型一　实验操作 　(2024·江苏丹阳中学期末)某实验小组完成“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．将油膜看成单层分子油膜 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．将油酸分子看成球形 (2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精的作用是________。 A．可使油酸和痱子粉之间形成清晰的边界轮廓 B．对油酸溶液起到稀释作用 C．有助于测量一滴油酸的体积 D．有助于油酸的颜色更透明便于识别 (3)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：D________(用字母符号表示)。 (4)某次实验时，滴下油酸溶液后，痱子粉迅速散开形成如图所示的“锯齿”边沿图案，出现该图案的原因可能是________。 A．盆中装的水量太多 B．痱子粉撒得太多，且厚度不均匀 C．盆太小，导致油酸无法形成单分子层 (5)某次实验时，该小组四个同学都发生了一个操作错误，其中导致最后所测分子直径偏大的操作是________。 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滴油酸酒精溶液为1 mL，不小心错记录为59滴 C．丙同学在计算出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 [解析]　(1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，我们的实验依据是：①油膜是呈单分子层分布的；②把油酸分子看成球形；③分子之间空隙不计。故选ABD。 (2)由于油酸不溶于水，无论是否有酒精，油酸和爽身粉之间都会形成清晰的边界轮廓，故A错误；用酒精将油酸稀释制成油酸酒精溶液，一滴溶液中所含油酸减少，实验时，酒精迅速溶于水，很容易形成单分子油膜，因此酒精起到稀释作用，故B正确；一滴油酸的体积和一滴溶液的体积测量方法相同，都是取50滴(或其他数量)等于1 mL，从而算出一滴的体积，与是否含有酒精无关，故C错误；油酸本身和油酸酒精溶液基本都是无色的，故D错误。 (3)“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤为：配制油酸酒精溶液(记下配制比例)→测定一滴油酸酒精溶液中油酸的体积→准备浅水盘→形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积→计算分子直径。因此操作先后顺序应是：DBFEC。 (4)出现题图所示的情况的原因是爽身粉撒得太多，且厚度不均匀，导致油膜未完全分开，故选B。 (5)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变大，故A正确；乙同学用注射器测得58滴油酸酒精溶液为1 mL，不小心错记录为59滴，这样算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积变小，由d＝可得d变小，故B错误；丙同学在计算出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，则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还是按原来细的注射器算的，由d＝可得d变小，故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变大，由d＝可得d变小，故D错误。 [答案]　(1)ABD　(2)B　(3)BFEC　(4)B (5)A 题型二　数据处理 　在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，所用的油酸酒精溶液的浓度为每 1 000 mL 溶液中有纯油酸0.5 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且撒有痱子粉的浅盘中，待水面稳定后，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)油酸分子的直径是________m。(结果保留2位有效数字) (3)利用单分子油膜法可以粗测分子大小和阿伏伽德罗常量。如果已知体积为V的一滴油在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S，这种油的密度为ρ，摩尔质量为M，则阿伏伽德罗常量的表达式为______________。(分子看成球体) (4)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 C．极限思想法 D．整体法与隔离法 [解析]　(1)轮廓包围的有效方格约为71个，故油酸薄膜的面积S＝71×1×1 cm2＝71 cm2。 (2)每滴溶液中含有纯油酸的体积V＝× mL＝6.25×10－6 mL，油酸分子的直径d＝≈8.8×10－10 m。 (3)油分子个数N＝个，油分子的物质的量n＝，故阿伏伽德罗常量NA＝＝。 (4)实验中把油酸分子简化为球形，忽略分子间隙，并且认为油膜为单层分子，是一种理想化模型。 [答案]　(1)71(70～72均正确) (2)8.8×10－10(8.7×10－10～8.9×10－10均正确) (3)NA＝　(4)B 　(2024·山东临沂期末)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，具体操作如下： ①取油酸1.0 mL注入1 000 mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到 1 000 mL的刻度为止。摇动瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸的酒精溶液； 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，恰好共滴了100滴； ③在边长约40 cm的浅水盘内注入约2 cm深的水，将细痱子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溶液，酒精挥发后，油酸在水面上尽可能地散开，形成一层油膜，膜上没有痱子粉，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，在玻璃板上绘出油膜的形状； ⑤将画有油酸膜形状的玻璃板放在边长为 2.0 cm 的方格纸上。 (1)利用上述具体操作中的有关数据可知，油酸膜的面积是________cm2，估测出油酸分子的直径是________m(此空保留1位有效数字)。 (2)某同学通过实验最终得到的油酸分子的直径比大多数同学的数据都大。对于出现这种结果的原因，可能是由于________。 A．在求每滴溶液体积时，1 mL溶液的滴数多记了2滴 B．计算油膜面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理 C．水面上痱子粉撒得较多，油酸膜没有充分展开 D．做实验之前油酸溶液搁置时间过长 [解析]　(1)由题图可知，超过半格的有108格，所以油膜面积S＝108×2 cm×2 cm＝432 cm2，一滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积V＝××10－6 m3，所以油酸分子直径d＝≈2×10－10 m。 (2)在求每滴溶液体积时，1 mL溶液的滴数多记了2滴，导致测量体积偏小，直径测量偏小，故A不符合题意；计算油酸面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理，使格数偏多，面积偏大，故直径测量值偏小，故B不符合题意；水面上痱子粉撒得较多，油酸膜没有充分展开，使面积测量值偏小，直径测量值偏大，故C符合题意；做实验之前油酸溶液搁置时间过长，酒精挥发使得油酸溶液浓度变大，故计算值偏小，即测量值偏小，故D不符合题意。 [答案]　(1)432　2×10－10　(2)C 1．(2024·江苏盐城期末)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，规范正确操作后，画出如图所示的油膜形状。已知油酸酒精溶液的浓度为η，n滴溶液的体积为V，油膜面积为S，则(　　) A．油酸分子的大小(直径)为 B．实验中，应先滴一滴油酸酒精溶液后再均匀地撒上适量的爽身粉 C．若爽身粉撒的过厚，会导致分子直径测量值偏大 D．估测油膜面积时，将不足一格都当作一格计入面积，将导致所测分子直径偏大 解析：选C。一滴溶液中油酸的体积V0＝，油酸分子直径d＝＝，故A错误；在水面上先撒上爽身粉，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散开稳定，故B错误；若爽身粉撒的过厚，会导致油膜不能充分散开，面积偏小，所以分子直径测量值偏大，故C正确；计算油膜面积时，将不足一格都当作一格计入面积，将导致面积偏大，所测分子直径偏小，故D错误。 2．在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中： (1)下列与“将油酸分子看成球形”采用的方法相同的是________。 A．引入质点的概念 B．平均速度的定义 C．引入重心的概念 D．“研究加速度与力或质量关系”的实验 (2)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，待薄膜形状稳定。 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。 上述步骤中，正确的顺序是________。(填写步骤前面的数字) (3)某老师将一滴油酸酒精溶液滴入事先撒有均匀痱子粉的水槽中，待油膜充分散开后，在玻璃板上描出油膜的轮廓，该油膜的面积是8.0×10－3 m2。已知油酸酒精溶液中油酸浓度为0.2%，400滴油酸酒精溶液滴入量筒后的体积是1.2 mL，则油酸分子直径为________m。(结果保留2位有效数字) (4)在实验操作及数据处理过程中，以下说法正确的是________。 A．为了防止酒精的挥发，配置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．若实验中撒的痱子粉过多，则计算得到的油酸分子的直径将偏小 解析：(1)“将油酸分子看成球形”采用的方法是建立理想模型法。引入质点的概念是建立理想模型；平均速度和重心的概念用的是等效思想；“研究加速度与力或质量关系”的实验用的是控制变量法。故选A。 (2)实验的顺序应该按照“配制溶液→准备浅盘→将溶液滴到水面上→描出轮廓→求出面积→根据公式计算出分子直径”的顺序进行，故顺序为④①②⑤③。 (3)一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V＝ m3＝6×10－12 m3 分子直径d＝＝ m＝7.5×10－10 m。 (4)为了防止酒精的挥发，配置的油酸酒精溶液不能长时间放置，防止溶液浓度发生变化，A正确；处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列，B正确；处理数据时将一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积除以油膜面积就得到了油酸分子的直径，C错误；若实验中撒的爽身粉过多，则油酸油膜的面积会偏小，则计算得到的油酸分子的直径将偏大，D错误。 答案：(1)A　(2)④①②⑤③　(3)7.5×10－10　(4)AB 学科网（北京）股份有限公司 $