高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小优质学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小优质学案，共8页。

一、实验思路
把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子中的烃基C17H33－组成。
把分子简化为球形处理，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，实验中需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中，即油酸分子的直径等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与它在水面上摊开的面积S之比，如图所示。
二、实验器材
配制好的一定浓度的油酸酒精溶液、浅盘、水、爽身粉、注射器、烧杯、带坐标方格的玻璃板、彩笔。
三、物理量的测量
1．测量1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。
(1)配制一定浓度的油酸酒精溶液。
(2)用注射器吸取一段油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积，再把它一滴一滴地滴入烧杯中，记下液滴的总滴数。
(3)用它们的总体积除以总滴数，得到1滴油酸酒精溶液的体积。
(4)根据溶液浓度计算其所含纯油酸的体积V。
2．测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S。
(1)在浅盘里盛上水，将爽身粉均匀地撒在水面上。
(2)用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水中散开，形成一块有轮廓的油膜。
(3)待油膜形状稳定后，将事先准备好的带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下薄膜的形状。
(4)根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，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。
(5)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。
四、数据分析
1．用1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和该油膜面积S计算出油膜厚度，即油酸分子的直径d＝eq \f(V,S)。
2．除了一些有机物质的大分子外，多数分子大小的数量级为10－10 m。
五、注意事项
1．油酸酒精溶液配制好后不要长时间放置，以免浓度改变，造成较大的实验误差。
2．实验前应注意检查浅盘是否干净，爽身粉(或细石膏粉)应均匀撒在水面上。
3．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。
4．待测油酸薄膜扩散后又会收缩，要在油酸薄膜的形状稳定后再描轮廓。
5．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。
1．实验中为什么不直接用纯油酸而是用被稀释过的油酸酒精溶液？
答案 用酒精对油酸进行稀释有利于获取更小体积的纯油酸，这样更有利于油酸在水面上形成单分子油膜；同时酒精易挥发，不影响测量结果。
2．实验中为什么在水面上撒爽身粉？
答案 撒爽身粉后，便于观察所形成的油膜的轮廓。
3．为什么实验时要使油膜尽可能地散开？
答案 要形成单分子油膜，所以实验时要使油膜尽可能地散开。
例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，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，待其形状稳定；
④在浅盘上覆盖透明玻璃，描出油膜形状，用透明方格纸测量油膜的面积。
改正其中的错误：_________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)实验中，进行了理想化的假设，如__________________________________________________
________________________________________________________________________________
(写出一种假设即可)。实验中，测量出滴入水中的纯油酸体积后，为得到油酸分子的直径，还需测量的物理量是_______________________________________________________________。
在实验中，均匀撒爽身粉(或细石膏粉)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，油膜形状稳定后面积为S，油酸酒精溶液的浓度为η，估算该油酸分子的直径为________。
答案 (1)②在量筒中滴入N滴溶液，测出其体积
③在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴入一滴油酸酒精溶液，待油膜形状稳定
(2)将油膜的厚度近似认为等于油酸分子的直径 形成的油膜面积 清晰的油膜边缘 d＝eq \f(ηV,S)
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滴该溶液体积，再求出一滴的体积，故改正为：在量筒中滴入N滴溶液，测出其体积；③油酸在水面上形成的油膜形状不易观察，可在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴油酸酒精溶液，稳定后就呈现出有清晰轮廓的油膜，故改正为：在水面上先撒上爽身粉(或细石膏粉)，再滴入一滴油酸酒精溶液，待油膜形状稳定。
(2)实验中进行了一些理想化的假设，如假定油酸分子一个紧挨一个地排列在一起，将油膜的厚度近似认为等于油酸分子的直径等；实验中需要测出纯油酸体积和油酸在水面完全铺开后形成的油膜面积；均匀撒爽身粉(或细石膏粉)有利于形成清晰的油膜边缘，便于测量油膜的面积；油膜的厚度为d＝eq \f(ηV,S)，近似认为其等于油酸分子的直径。
例2 (2022·北京市海淀区高二期末)在用油膜法估测油酸分子的大小的实验中，小娜和小问同学组成的小组具体操作如下：
①取纯油酸0.1 mL注入500 mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到500 mL的刻度为止，摇动容量瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸酒精溶液；
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，共滴了25滴；
③在边长约30 cm的浅盘内注入约2 cm深的水，将爽身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油酸酒精溶液，油酸在水面上尽可能地散开，形成一层油膜，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，并在玻璃板上描下油酸膜的轮廓；
⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，可以数出轮廓范围内小方格的个数，小方格的边长为L＝1 cm。
(1)根据该小组的实验数据，可估算出油酸分子的直径约为________ m。(结果保留一位有效数字)
(2)某次实验时，小娜同学滴下油酸酒精溶液后，爽身粉迅速散开形成如图所示的“锯齿”边沿图案，导致油膜没有充分展开。
①出现该图样的可能原因是________(选填选项前的字母)
A．盆中装的水量太多
B．爽身粉撒得太多，且厚度不均匀
C．盆太小导致油酸无法形成单分子层
②若用此油膜作为依据进行估测，则最终的测量结果将________(选填“偏大”“偏小”或“无影响”)，经过评估，该小组决定重做实验。
(3)实验中总会有各种意外，小问同学作为物理课代表，就在实验时细心地发现三位同学各发生了一个操作失误，其中导致最后所测分子直径的偏大的是________(选填选项前的字母)
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
B．乙同学在计算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
C．丙同学计算油膜面积时，把所有半格左右的油膜都算成了一格
答案 (1)7×10－10 (2)①B ②偏大 (3)A
解析 (1)依题意，一滴溶液中纯油酸的体积为V＝eq \f(0.1,500)×eq \f(1,25)×1 mL＝8×10－6 mL，单层油酸分子油膜的面积为S＝116×1×10－4 m2＝1.16×10－2 m2，
油酸分子直径约为d＝eq \f(V,S)＝7×10－10 m
(2)①出现该图样的可能原因是爽身粉撒得太多，且厚度不均匀，故选B。
②依题意，油膜没有充分展开，对应的油膜面积偏小，根据d＝eq \f(V,S)，可知最终的测量结果将偏大。
(3)甲同学不小心把酒精倒多了一点，会导致油酸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＝eq \f(V,S)，可得最后所测的分子直径偏大，故A正确；乙同学拿错的注射器的针管比原来的粗，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还是按原来细的算，由d＝eq \f(V,S)，可得最后所测的分子直径偏小，故B错误；丙同学把所有半格左右的油膜都算成了一格，计算出的油膜的面积S偏大，由d＝eq \f(V,S)，可得最后所测的分子直径偏小，故C错误。
课时对点练
1．在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，下列做法正确的有________。
A．用注射器取1滴纯油酸滴入量筒测量体积
B．用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的体积是1 mL，则1滴溶液中含有纯油酸10－2 mL
C．往浅盘里倒入适量的水，再将爽身粉(或细石膏粉)均匀地撒在水面上
D．用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，同时将玻璃板放在浅盘上，并立即在玻璃板上描下油酸膜的形状
E．将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，并求得油膜的面积
答案 CE
解析 计算1滴油酸酒精溶液体积时，为减小测量误差，要用注射器取多滴油酸酒精溶液滴入量筒测量体积，通过计算得出1滴的体积，A错误；用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的体积是1 mL，则1滴油酸酒精溶液的体积是10－2 mL，含有纯油酸的体积小于10－2 mL，选项B错误；往浅盘里倒入适量的水，再将爽身粉(或细石膏粉)均匀地撒在水面上，选项C正确；用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，待油酸膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下油酸膜的形状，选项D错误；将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，并求得油膜的面积，选项E正确。
2．(2019·全国卷Ⅲ)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______________________________________。
答案 使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜 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
解析 由于分子直径非常小，极少量油酸所形成的单分子层油膜面积也会很大，因此实验前需要将油酸稀释，使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜。可以用累积法测量多滴溶液的体积后计算得到一滴溶液中纯油酸的体积。油酸分子直径等于一滴溶液中纯油酸的体积与形成的单分子层油膜的面积之比，即d＝eq \f(V,S)，故除测得一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积外，还需要测量单分子层油膜的面积。
3．(多选)在用油膜法估测油酸分子的大小的实验中，所用油酸酒精溶液的质量分数(即纯油酸质量与油酸酒精溶液质量之比)为η，质量为m的油酸酒精溶液有n滴，且纯油酸的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA。现取一滴溶液滴入撒有爽身粉的浅水盘里，待稳定后，将玻璃板放在浅盘上描绘出油酸膜的轮廓形状，再把玻璃板放在边长为1 cm的坐标纸上，算出油膜的面积S。关于本实验，下列说法正确的是( )
A．一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为eq \f(m,nρ)
B．油酸分子直径为eq \f(mη,nρS)
C．一滴油酸酒精溶液中所含油酸分子个数为eq \f(mη,nM)NA
D．计算油膜的面积可以通过在坐标纸上数油膜轮廓内格子数得到
答案 BCD
解析 一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为eq \f(mη,nρ)，选项A错误；将油酸分子看作球体且一个紧挨一个地单层排列，忽略空隙，油酸分子直径为eq \f(mη,nρS)，选项B正确；一滴油酸酒精溶液中纯油酸的摩尔数为eq \f(mη,nM)，一滴油酸酒精溶液中所含油酸分子个数为eq \f(mη,nM)NA，选项C正确；在坐标纸上数油膜轮廓内格子数时，大于或等于半格时算一格，小于半格的不计，用总格子数乘以1 cm2作为油膜的面积，选项D正确。
4．(2022·珠海市高二期中)在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，实验步骤如下：
A．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，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描在玻璃板上。
B．用公式d＝eq \f(V,S)求出薄膜厚度，即油酸分子的大小。
C．已知实验室中使用的油酸酒精溶液的体积浓度为c，将此油酸酒精溶液一滴滴地滴入小量筒中，当滴入N滴溶液时小量筒内溶液体积为V。
D．将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数x(不足半个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长为a，求出油膜的面积。
E．用浅盘装入约2 cm深的水。
(1)将上述实验步骤进行排序，正确的顺序应该是________________________________(写步骤前的序号)；上述步骤中有一处遗漏和不完整，请指出并补充完整________________________。
(2)实验中要让油酸在水面尽可能散开，形成单分子油膜，并将油膜分子看成球形且紧密排列。本实验体现的物理思想方法为________。
A．控制变量法 B．理想化模型法
C．极限思想法 D．等效替代法
(3)从图中可数出小正方形的有效个数x＝________________。油酸分子的直径d＝_________ (用题中给出的符号表示)。
答案 (1)CEADB 在水面上均匀地撒上痱子粉或细石膏粉 (2)B (3)8 eq \f(cV,Na2x)
解析 (1)应该先配制溶液→准备浅盘→将溶液滴到水面上→描出轮廓→求出体积→根据公式算出分子直径。因此顺序为：CEADB。步骤A中应在浅盘的水面上均匀地撒上爽身粉或细石膏粉，以便描出油酸的轮廓。
(2)将油酸分子看成球形，在水面上形成单分子油膜。本实验体现的物理思想方法为理想化模型法。故选B。
(3)超过半个的算一个，小于半个的不算，总共为8个。纯油酸的总体积为cV，每一滴中所含纯油酸的体积为V0＝eq \f(cV,N)，每个小格的面积为a2，共有x个小格，因此油膜的总面积S＝a2x，油酸分子直径为d＝eq \f(V0,S)＝eq \f(cV,Na2x)。
5．(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，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图所示。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______ cm2，由此估算出油酸分子的直径是______ m(保留1位有效数字)。
(2)如图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1.4×10－8 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1位有效数字)。
(3)某同学做完“用油膜法估测分子大小”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．计算油膜面积时，只数了完整的方格数
D．求每滴溶液中纯油酸的体积时，1 mL溶液的滴数多记了10滴
答案 (1)256 8×10－10 (2)9×10－10
(3)AC
解析 (1)通过数格就能计算油膜的面积，多于半个格的算一个，少于半个格的舍去，由图可知，油膜的面积为S＝64×4 cm2＝256 cm2＝0.0256 m2，两滴油酸酒精溶液含纯油的体积为V＝2×eq \f(1 mL,100)×eq \f(0.25 mL,250 mL)＝2×10－5 mL＝2×10－5 cm3
油酸分子的直径为d＝eq \f(V,S)＝2×eq \f(10－11,0.0256) m≈8×10－10 m
(2)圆周周长为2πR＝π×1.4×10－8 m
等于48个铁原子的直径之和，所以铁原子的直径为d＝eq \f(1.4×10－8×3.14,48) m≈9×10－10 m
(3)将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算，则V取值偏大，由d＝eq \f(V,S)知d偏大，故A正确；油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发使溶液的浓度增大，则V取值偏小，导致d偏小，故B错误；计算油膜面积时，只数了完整的方格数，则S取值偏小，导致d偏大，故C正确；求每滴溶液中纯油酸的体积时，1 mL的溶液的滴数多记了10滴，由V1＝eq \f(1,n) mL，可知，纯油酸的体积将偏小，导致d偏小，故D错误。