高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第一章 分子动理论2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小教案

实验：用油膜法估测油酸分子的大小

【教学目标】

1．知道用单分子油膜方法估算分子的直径。通过测量分子的直径和质量，教给学生研究物理问题的方法。运用理想化方法，建立物质分子是球形体的模型。

2．培养学生在物理学中的估算能力。

3．体会通过测量宏观量来研究微观量的思想方法。

【教学重难点】

用油膜法估测分子的大小。

【教学过程】

一、新课导入

分子十分微小。以水为例，一个直径为10-3mm左右的水珠，它的大小与细菌差不多，用肉眼无法观察，就是在这样小的水珠里，分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍！

思考：通过什么途径可以知道分子的大小呢？

问题1：曹冲怎么称象？

化整为零

出示一堆绿豆。

问题2：怎样估测绿豆的直径？

化零为整

学生思考发言，教师总结方法。

方法一：将绿豆排成一行，测出总长，数出个数。则

方法二：测出总体积，数出个数。则，再由球体体积公式计算出直径。

方法三：量出单层铺开的面积，测出总体积。则

继续发问：问题3：怎么估算鞋底的大小？

教师展示方格纸，将鞋底印在方格纸上，数出格数即可得知鞋底的大小。

能否用同样的方法测算分子的直径呢？有什么困难？

同学们思考并发言，师生一起总结测算的方法。

二、新课教学

（一）实验思路

为了估测油酸分子的大小，我们把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜。

尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间也存在着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理，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。

教师提醒：为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，我们需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中。这样的油酸酒精溶液滴在水面，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。

（二）实验器材

用酒精稀释过的油酸、滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板、彩笔、量筒、坐标纸。

教师讲解一下实验步骤，学生进行分组实验。

（三）实验步骤

1．配制油酸酒精溶液，取1mL的油酸滴入酒精中配制成500mL的油酸酒精溶液。

2．用滴管或注射器将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积（例如1mL）时的滴数，算出一滴油酸酒精溶液的体积。

3．实验时先向边长为30～40cm的浅盘里倒入约2cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上用滴管往水面上滴一滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面上散开，形成一块薄膜。

4．待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，然后将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上。

5．将画有油酸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1cm的正方形为单位。数出轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个。

6．根据配制的油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V。根据一滴纯油酸的体积V和薄膜的面积S即可算出油酸薄膜的厚度d＝V/S，即油酸分子的大小。

（四）数据处理

根据上面记录的数据，完成以下表格：

实验完成后，各组对实验过程及实验结果做汇报，成功的小组分享成功的经验，失败的小组分析失败的原因。

教师根据各小组的分享总结实验的注意事项。

（五）注意事项

1．油酸酒精溶液的浓度应小于0.1%。

2．痱子粉的用量不要太多，否则不易成功。

3．测1滴油酸酒精溶液的体积时，滴入量筒中的油酸酒精溶液的体积应为整毫升数，应多滴几滴，数出对应的毫升数，这样求平均值时误差较小。

4．浅盘里水离盘口面的距离应小些，并要水平放置，以便准确地画出油膜的形状，画线时视线应与板面垂直。

5．要待油膜形状稳定后，再画轮廓。

6．利用坐标纸求油膜面积时，以边长1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，大于半个的算一个。

7．做完实验后，把水从盘的一侧边缘倒出，并用少量酒精清洗，然后用脱脂棉擦去，最后用水冲洗，以保持盘的清洁。

各小组根据实验注意事项再次进行实验。

师生在实验过后一起分析误差来源。

（六）误差分析

用油膜法估测分子的直径，通常可以测得比较准，实验误差通常来自三个方面：

1．形成单分子油膜

只有形成单分子油膜，才能用油膜的厚度代表分子的直径，即d＝V/S。要求使用的酒精的浓度、痱子粉的用量适宜。

2．油滴的体积V

用累积法测油滴的体积。先测出1mL的油酸酒精溶液的滴数，从而计算出一滴油酸酒精溶液的体积，再由油酸酒精溶液的浓度算出纯油酸的体积。

3．油膜的面积S

用坐标纸测出形状不规则油膜的面积。数出不规则图形的轮廓包围的方格数，计算方格数时，不足半格的舍去，多于半格的算一个，方格边长的单位越小，这种方法求出的面积越精确。

根据本次实验，师生一起对实验进行反思，如何可以对实验进行改进。

（七）实验改进

在做本实验时，把痱子粉均匀撒在水面上是很关键的一步。在实际操作时常撒的不均匀或撒得过多，因痱子粉不溶于水又不能搅拌，只好重做。可用印刷碳粉代替痱子粉，因为印刷碳粉不溶于水且漂浮在水面上，若撒得太多，可将水和碳粉一起倒出，然后用玻璃棒搅拌，直至碳粉在水面薄且均匀，若撒得不均匀，可直接用玻璃棒搅拌均匀。

【练习巩固】

1．（1）如图所示的四幅图反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的四个步骤，将它们按正确操作顺序排列应是________(用符号表示)。

（2）用“油膜法”来粗略估测分子的大小，利用了一些科学的近似处理，这些处理有：

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________。

答案：（1）dacb

（2）把在水面上尽可能扩散开的油膜视为单分子油膜，把形成油膜的分子看成紧密排列的球形分子，认为油酸分子是一个挨一个排列的。

2．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，某同学的操作步骤如下：

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在盛水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在盛水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：______________________________________________________

_______________________________________________________________________。

答案：②在量筒中滴入N滴溶液；③在水面上先撒上痱子粉

3．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，用amL的纯油酸配制成bmL的油酸酒精溶液，再用滴管取1mL油酸酒精溶液，让其自然滴出，共n滴。现在让其中一滴落到盛水的浅盘内，待油膜充分展开后，测得油膜的面积为Scm2，则：

（1）估算出油酸分子的直径大小是________cm。

（2）用油膜法测出油酸分子的直径后，要测定阿伏加德罗常数，还需要知道油酸的________。

A．摩尔质量  B．摩尔体积  C．质量  D．体积

答案：（1）a/bSn    （2）B

4．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，现有油酸和酒精按体积比为n∶m配制好的油酸酒精溶液置于容器中，还有一个盛有约2cm深水的浅盘，一支滴管，一个量筒。

请补充下述实验步骤：

（1）___________________________________________________________________。

（需测量的物理量用字母表示）

（2）用滴管将一滴油酸酒精溶液滴入浅盘，等油酸薄膜稳定后，将薄膜轮廓描绘在坐标纸上，如图所示，则油膜面积为________（已知坐标纸上每个小方格面积为S，求油膜面积时，半个以上方格面积记为S，不足半个舍去）。

（3）估算油酸分子直径的表达式为d＝________（用测量量及已知量字母表示）。

答案：（1）用滴管向量筒内加注N滴油酸酒精溶液，读出其体积V

（2）115S

（3）

5．“用油膜法估测分子的大小”实验的方法及步骤如下：

①向体积V油＝1mL的油酸中加入酒精，直至总量达到V总＝500mL；

②用注射器吸取①中配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n＝100滴时，测得其体积恰好是V0＝1mL；

③先往边长为30～40cm的浅盘里倒入2cm深的水，然后将__________均匀地撒在水面上；

④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，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形状；

⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内小方格的个数N，小方格的边长l＝20mm。

根据以上信息，回答下列问题：

（1）步骤③中应填写：____________。

（2）1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′是________mL。

（3）油酸分子直径是__________m。

答案：（1）痱子粉或细石膏粉

（2）2×10－5

（3）4.5×10－10