1.2 学生实验：用油膜法估测油酸分子的大小 学案（2020年教科版高中物理选修3-3）

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1、1.2 学生实验学生实验：用油膜法估测油酸分子的大小用油膜法估测油酸分子的大小 学习目标 1.知道用油膜法估测分子大小的原理，并能进行测量和计算.2.体会通过测量宏 观量估算微观量的方法 一、实验原理 把一滴油酸(事先测出其体积 V)滴在水面上，油酸在水面上形成油酸薄膜，将其认为是单分 子层，且把分子看成球形油膜的厚度就是油酸分子的直径 D，测出油膜面积 S，则油酸分 子直径 DV S. 二、实验器材 配制好的一定浓度的油酸酒精溶液、浅盘、痱子粉(或滑石粉)、注射器、量筒、玻璃板、细 彩笔、坐标纸、水 三、实验步骤 1用注射器取出按一定比例配制好的油酸酒精溶液，缓缓推动活塞，使溶液一滴一滴地滴

2、入 量筒中，记下量筒内增加一定体积 V1时的滴数 n，算出一滴油酸酒精溶液的体积 VV1 n . 再根据油酸酒精溶液中油酸的浓度 ，算出一滴油酸酒精溶液中的纯油酸体积 VV. 2在水平放置的浅盘中倒入约 2 cm 深的水，然后将痱子粉(或滑石粉)均匀地撒在水面上， 再用注射器将配制好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上 3待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板平放到浅盘上，然后用细彩笔将油酸膜的 形状画在玻璃板上 4将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油膜的面积 S(以坐标纸上边长为 1 cm 的 正方形为单位，计算轮廓范围内的正方形个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个) 5根据测出的一滴

3、油酸酒精溶液里油酸的体积 V 和油酸薄膜的面积 S，求出油膜的厚度 D， 则 D 可看做油酸分子的直径，即 DV S. 四、数据处理 1将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图 1 所示，算出油酸薄膜的面积 S. 图 1 2 由“步骤 1”中的数据计算出每滴油酸酒精溶液体积的平均值， 再由油酸酒精溶液的浓度， 算出一滴溶液中纯油酸的体积 V，根据一滴油酸的体积 V 和薄膜的面积 S 即可算出油酸薄膜 的厚度 DV S，即油酸分子的大小 五、注意事项 1实验前，必须将所有的实验用具擦洗干净，实验时，吸取油酸、酒精和溶液的注射器要分 别专用，不能混用，否则会增大实验误差 2痱子粉(或滑石粉)和

4、油酸的用量都不可太大，否则不易成功 3油酸酒精溶液的浓度以小于 0.1%为宜不宜长时间放置 4浅盘中的水离盘口面的距离应较小，并要水平放置，以便准确地画出薄膜的形状，画线时 视线应与板面垂直 5在水面撒痱子粉(或滑石粉)后，不要再触动盘中的水 6利用坐标纸求油膜面积时，以边长 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 六、误差分析 用油膜法估测分子直径，实验误差通常来自三个方面 (1)不能形成单分子油膜 (2)油滴的体积 V 的测量产生误差 (3)计算油膜的面积 S 有误差 即学即用 根据实验“用油膜法估测油酸分子的大小”，判断下列说法的正误 (1)

5、用注射器向量筒里逐滴滴入配制好的溶液至 1 mL，记下滴数 n，则 1 滴溶液含纯油酸的体 积 V1 n mL.() (2)为了更精确地测出油膜的面积，应用牙签把水面上的油膜拨弄成矩形() (3)若撒入水中的痱子粉太多，会使油酸未完全散开，从而使测出的分子直径偏小() (4)若滴在水面的油酸酒精溶液体积为 V，铺开的油膜面积为 S，则可估算出油酸分子直径为 V S.() (5)在玻璃板上描出的油膜轮廓如图 2 所示已知坐标纸的小方格为边长为 1 cm 的正方形， 则油膜的面积约为 72 cm2.() 图 2 一、实验原理及步骤 例 1 在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，以下给出的是可能

6、的操作步骤，把你 认为正确的步骤前的字母按合理的顺序填写在横线上_， 并补充实验步骤D的计算式 A将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，以坐标纸上边长 1 cm 的正方形为单位，计算出 轮廓内正方形的个数 n. 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 C用浅盘装入约 2 cm 深的水，然后将痱子粉均匀地撒在水面上 D用测量的物理量估算出油酸分子的直径 D_. E 用滴管将事先配好的体积浓度为 0.05%的油酸酒精溶液逐滴滴入量筒， 记下滴入的溶液体 积 V0与滴数 N. F将玻璃板平放在浅盘上，用彩笔将薄膜的外围形状描画在玻璃板上 答案 ECBFAD 5V0 Nn 解析 根据实验步

7、骤可知合理的顺序为 ECBFAD. 一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V0 N0.05%，Sn10 4 m2 所以分子的直径 DV0 NS0.05% 5V0 Nn. 例 2 (多选)油膜法粗略测定分子直径的实验基础是( ) A把油酸分子视为球形，其直径即为油膜的厚度 B让油酸在水面上充分散开，形成单分子油膜 C油酸分子的直径等于滴到水面上的油酸酒精溶液的体积除以油膜的面积 D油酸分子直径的数量级是 10 15 m 答案 AB 解析 油酸在水面上形成单分子油膜，将油酸分子视为球形，其分子直径即为膜的厚度，它 等于滴在水面上的纯油酸的体积除以油膜的面积，而酒精溶于水或挥发掉，故 A、B 对，C 错，

8、油酸分子直径的数量级为 10 10 m，故 D 错 二、实验原理及数据处理 例3 在做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中， 104 mL油酸酒精溶液中有纯油酸6 mL. 用注射器测得 1 mL 上述溶液中有 50 滴把 1 滴该溶液滴入撒有痱子粉的盛水的浅盘里，待 油膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，然后把玻璃板放在坐 标纸上，其形状如图 3 所示，坐标纸中正方形小方格的边长为 20 mm. 图 3 (1)油膜的面积是多少？ (2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少？ (3)根据上述数据，估算出油酸分子的直径 答案 (1)2.3210 2 m2 (2)1.2

9、1011 m3 (3)5.210 10 m 解析 (1)数出在油膜轮廓范围内的格子数(面积大于半个方格的算一个， 不足半个方格的舍去 不算)为 58 个，油膜面积约为 S58(0.02)2 m22.3210 2 m2. (2)因为 50 滴油酸酒精溶液的体积为 1 mL， 且能求出溶液中含纯油酸的浓度为 6 104610 4，故每滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积为 V 0V n 1 50610 4 mL1.21011 m3. (3)把油膜的厚度视为油酸分子的直径，可估算出油酸分子的直径为 DV0 S 1.210 11 2.3210 2 m5.210 10 m. 1纯油酸体积 V 的计算 若油酸酒

10、精溶液的浓度为 ，n 滴该溶液的体积为 V1，则一滴该溶液中的油酸体积 VV1 n . 2油膜面积 S 的计算 用数格子法(不足半个的舍去，多于半个的算一个)求出油膜面积 1(实验原理)利用油膜法估测油酸分子的直径，需要测量的物理量是( ) A一滴油酸酒精溶液中纯油酸的质量和它的密度 B一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积和它的密度 C一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积和它散成油膜的面积 D所形成油膜的厚度和它的密度 答案 C 解析 用油膜法估测油酸分子直径时，所用的计算公式是 DV S，式中 V、S 分别表示一滴油 酸酒精溶液中纯油酸的体积和它散成单分子油膜的面积 2(实验误差分析)为了减小“用油膜法

11、估测油酸分子的大小”实验的误差，下列方法可行的 是( ) A用注射器取 1 mL 配制好的油酸酒精溶液，共可滴 N 滴，则每滴中含有油酸 1 N mL B把浅盘水平放置，在浅盘里倒入约 2 cm 深的水 C先在浅盘中撒些痱子粉，再用注射器在水面上多滴几滴油酸酒精溶液 D用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成矩形 答案 B 解析 1 N mL 是一滴油酸酒精溶液的体积，乘以其中油酸的浓度才是纯油酸的体积，A 项错； B 项的做法是正确的；多滴几滴能够使测量形成油膜的油酸体积更精确些，但多滴以后会使 油膜面积增大，可能使油膜这个不规则形状的一部分与浅盘的壁相接触，这样就不是单分子 油膜了，故 C 项错；D

12、 项中的做法没有必要，并且牙签上沾有油酸，会使油酸体积测量误差 增大 3(实验数据处理)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，用注射器将一滴油酸酒精溶 液滴入撒有痱子粉的盛水的浅盘里，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 4 所示，坐标纸上正方形小方格的边 长为 10 mm，该油酸膜的面积是_m2；若一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 410 6 mL，则油酸分子的直径是_ m(上述结果均保留一位有效数字) 图 4 答案 810 3 51010 解析 由于小方格的个数为 80 个，故油酸膜的面积是 S8010010 6 m281

13、03 m2； DV S 410 12 810 3 m510 10 m. 4(实验数据处理)将 1 mL 的纯油酸配成 500 mL 的油酸酒精溶液，待油酸均匀溶解后，用 滴管取 1 mL 油酸酒精溶液，让其自然滴出，共 200 滴，则每滴油酸酒精溶液的体积为 _ mL.现在将一滴油酸酒精溶液滴到撒有痱子粉的盛水的浅盘内， 待油膜充分展开后， 测得油膜的面积为 200 cm2，则估算油酸分子的直径是_ m(保留一位有效数字) 答案 0.005 510 10 解析 1 mL 的纯油酸配成 500 mL 的油酸酒精溶液，溶液的体积百分比浓度是 1 500，一滴溶 液的体积是V 1 200 mL0.005 mL， 一滴溶液所含油酸的体积V0 1 5000.005 mL10 11 m3， 所以油酸分子的直径 DV0 S 10 11 20010 4 m510 10 m.