物理2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小精品达标测试

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【学习目标】
物理观念：理解分子模型，知道分子直径的数量级。
科学思维：通过实验估测分子的大小，体会建立模型和估测方法在研究物理问题中的应用。
科学探究：能够对实验数据进行处理，掌握“互补法”计算油膜面积。
科学态度与责任：通过油膜法测分子直径应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。
【学习重难点】
重点：体会用宏观量推算微观量的物理方法、油膜法估测分子大小原理、分子大小的数量级。
难点：规范实验操作
【知识回顾】
上一节学习了分子动理论的基本内容，知道了物体是由大量分子组成的，在计算固体、液体和气体分子的大小时，可以建立怎样的模型？
答案：固体、液体可以看成小球模型
气体可以看成立方体模型
2、1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积应如何表示？
答案：。
【自主预习】
一 实验思路
1．把1滴油酸滴在水面上，油酸分子(C17H33COOH)中的羧基—COOH对水有较强的亲合力，烃基C17H33—对水没有亲合力而冒出水面，因此，油酸分子会一个个地直立在水面上形成单分子油膜。
2．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(如图)。测出油膜的厚度d，它就相当于分子的直径。
3．为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中，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。可以粗略地认为，油膜的厚度d等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与油膜面积S之比。
二 实验器材
油酸、酒精、注射器、烧杯、浅盘、清水、带有坐标方格的玻璃板、彩笔、爽身粉。
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。
配制一定浓度的油酸酒精溶液。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。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，再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。然后，用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散开，形成一块油膜。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。
(2)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。然后，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。
【课堂探究】
【新课导入】
分子十分微小。以水为例，一个直径为10-3 mm 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！那么，通过什么途径可以知道分子的大小呢？
提示：用油膜法估测油酸分子的大小。
【新课教学】
实验思路和物理量的测量
问题1：怎样建立理想化物理模型？
提示：①把滴在水面上的油酸层当作单分子油膜层。
②把分子看成球形。
③油分子一个紧挨一个整齐排列;
问题2：如何配制油酸酒精溶液（稀释）？
提示：用注射器吸取体积为V1的油酸，注入一定体积的量筒中，加入无水酒精至体积V2刻度线，充分搅匀后得到体积比（浓度）为V1V2的油酸酒精溶液。
问题3：为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，可以采取什么措施？
提示：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。
问题4：向水面滴油酸酒精溶液时，要注意什么？
提示：应靠近水面，不能离水面太高，否则油膜难以形成。
问题5：如图乙，如果盘子太小，或者油酸体积太大，会发生什么情况？
提示：油酸将铺满整个浅盘，形成的油膜可能不是单分子油膜。
二、数据分析与误差分析

问题1：求出1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V？
提示：
问题2：根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，如何计算轮廓范围内正方形的个数？
提示：不足半个的舍去,多于半个的算一个。
问题3：通过对实验数据的分析，能得到什么结论？
提示：根据1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和油膜面积S可计算出油膜厚度，即油酸分子的直径d＝eq \f(V,S)。
问题4：实验中有哪些误差？
提示：(1)纯油酸体积的测量误差：比如油酸酒精溶液的实际浓度与理论值间存在偏差，液滴的体积测量产生误差。
(2)油膜面积的测量误差：比如描绘油膜形状的画线误差，爽身粉撒得过厚不能形成单分子油膜，利用小方格数计算的误差。
(3)把油酸分子看成球形和不考虑油酸分子空隙产生的误差。本实验只要求估测油酸分子的大小，所以可以忽略此误差。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。实验结果的数量级符合要求即可。
小试牛刀
【例题】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_____________________。
【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
【例题】在做“用油膜法估测分子的大小”的实验时,油酸酒精溶液的浓度为每1000 mL溶液中有纯油酸0.2 mL,用量筒和注射器测得1 mL上述溶液有80滴,用注射器把一滴该溶液滴入表面撒有痱子粉的浅盘里,待水面稳定后,画出油酸薄膜的轮廓如图所示,图中正方形小方格的边长为1 cm。(结果均保留两位有效数字)
(1)油酸薄膜的面积是__________________m2;
(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是____________________m3;
(3)根据上述数据,估测出油酸分子的直径是________m(结果保留两位有效字);

【答案】4.0×10-3 ；2.5×10-12；6.3×10-10
【自我测评】
1．判断下列说法的正误．
(1)用油膜法估测油酸分子的大小应该使用纯油酸。( × )
(2计算油膜轮廓范围内正方形的个数时，为了准确，只计算完整正方形的面积。( × )
(3)为了便于观察，在浅盘里盛上水后，将爽身粉均匀地撒在水面上。( √ )
2.想一想：在滴入油滴之前，要先在水面上均匀撒上痱子粉，这样做的目的是？
【答案】在滴入油滴之前，要先在水面上均匀撒上痱子粉，这样做的目的是：使油膜边界清晰，便于描绘油膜形状。
3．(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的简要步骤如下：
A．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(不足半个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长求出油膜的面积S。
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后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描画在玻璃板上。
C．用浅盘装入约2 cm深的水，然后将爽身粉或石膏粉均匀地撒在水面上。
D．用公式d＝eq \f(V,S)，求出薄膜厚度，即油酸分子直径的大小。
E．根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V。
F．用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积时的滴数。
上述实验步骤的合理顺序是____________。
(2)在步骤B中滴入盛水浅盘中的油酸酒精溶液所含的纯油酸的体积为4.0×10－6 mL，将画有油膜轮廓的玻璃板放在方格边长为1 cm的坐标纸上，水面上散开的油膜轮廓如图所示，该油膜面积为________ cm2，油酸分子直径约为________ m。
【答案】(1)FECBAD (2)90 4.4×10－10
【解析】(1)由题意知，实验步骤的合理顺序为FECBAD。
(2)方格数为90，则油膜面积为90×1 cm2＝90 cm2，油酸分子直径为d＝eq \f(V,S)＝eq \f(4.0×10－6×10－6,90×10－4) m≈4.4×10－10 m。
4.在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，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，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油膜的轮廓，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状如图所示，坐标纸中正方形方格的边长为1 cm。则：
(1)油膜的面积是________；
(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是____________；
(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径是____________；(结果保留两位有效数字)
(4)某同学实验中得到的结果比大多数同学的结果偏大，出现这种结果的原因，下列说法可能正确的是________。
A．油酸中含有大量酒精
B．计算油膜面积时，所有不足一格的方格都作为整格计入
C．水面上爽身粉撒得较多，油酸未完全散开
D．将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算
【答案】 (1)108 cm2 (2)8×10－6 mL (3)7.4×10－10 m (4)CD
【解析】(1)计算油膜轮廓范围内正方形的个数，多于半个的算一个，不足半个的舍去，由题图知，正方形小方格有108个，那么油膜面积S＝108×1 cm2＝108 cm2。
(2)1 mL油酸酒精溶液为75滴，则1滴该溶液的体积为eq \f(1,75) mL，又每104 mL溶液中有纯油酸6 mL，则每滴溶液中纯油酸的体积V＝eq \f(6,104)×eq \f(1,75) mL＝8×10－6 mL。
(3)油酸分子的直径为d＝eq \f(V,S)＝eq \f(8×10－6,108) cm＝7.4×10－8 cm＝7.4×10－10 m。
(4)本实验中，酒精的作用是使油酸更容易展开形成单分子油膜，最终会挥发或溶于水，根据d＝eq \f(V,S)可得，只要油酸酒精溶液中纯油酸的体积计算正确，油膜面积计算正确，则油酸中含有大量酒精对实验结果不会造成影响，故A错误；计算油膜面积时，所有不足一格的方格都作为整格计入，则测得的S偏大，由d＝eq \f(V,S)可知测得的分子直径偏小，故B错误；水面上爽身粉撒得较多，油酸未完全散开，则测得的S偏小，由d＝eq \f(V,S)可知测得的分子直径偏大，故C正确；将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算，则测得的V偏大，由d＝eq \f(V,S)可知测得的分子直径偏大，故D正确。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？