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学案

第2节实验：用油膜法估测油酸分子的大小

自主学习·必备知识

一、实验目的

用油膜法估测油酸分子的大小。

二、实验原理

把一定体积的油酸酒精溶液滴在水面上使其形成单分子油膜，如图所示。不考虑分子间的间隙，把油酸分子看成球形，计算出1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积并测出油膜面积，求出油膜的厚度，即就是油酸分子的直径。

三、实验器材

油酸、酒精、注射器或滴管、量筒、浅盘、玻璃板、坐标纸、彩笔、爽身粉或细石膏粉。

四、实验步骤

1.用注射器往小量筒中滴入油酸酒精溶液，记下滴入的滴数，算出一滴油酸酒精溶液的体积。

2.在浅盘中倒入约深的水，将爽身粉均匀撒在水面上。

3.将一滴油酸酒精溶液滴在浅盘的液面上。

4.待油酸薄膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔（或钢笔）画出油酸薄膜的形状。

5.将玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积；或者玻璃板上有边长为的方格，则也可通过数方格数，算出油酸薄膜的面积。

6.根据已配好的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。

7.计算油酸薄膜的厚度，即油酸分子直径的大小。

五、数据处理

在实验中由计算分子直径，是经过换算后一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，各物理量的计算方法如下：

1.一滴油酸酒精溶液的平均体积

。

2.一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积

。（体积）。

3.油膜的面积（为小正方形的有效个数，为小正方形的边长）。

六、误差分析

1.油酸酒精溶液配制后长时间放置，酒精的挥发会导致溶液的浓度改变，从而给实验带来较大的误差。

2.利用量筒测量油酸酒精溶液的体积时，没有使用正确的观察方法而产生误差。

3.油滴的体积过大，同时水面面积过小，不能形成单分子油膜。

4.描绘油膜形状的画线误差。

5.利用小正方形个数计算轮廓的面积时，轮廓的不规则性容易带来误差。

6.不考虑油酸分子的空隙，计算分子直径的误差。

七、注意事项

1.实验前，必须把所有的实验用具擦洗干净，实验时吸取油酸、酒精和溶液的移液管不能混用，否则会增大误差，影响实验结果。

2.待测油酸扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓，扩散后又收缩有两个原因：一是水面受油酸酒精溶液液滴的冲击凹陷后又恢复；二是酒精挥发后液面收缩。

3.本实验只要求估算分子大小，实验结果的数量级符合要求即可。

4.爽身粉不宜撒得过厚，油酸酒精溶液的浓度要适宜。

5.向水面滴油酸酒精溶液时，应靠近水面，不能离水面太高，否则油膜轮廓难以形成。

互动探究·关键能力

见学用148页

探究点一实验原理和实验操作

例（2021上海位育中学高二期中）在“油膜法估测油酸分子的大小”实验中：

（1）与实验中“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往边长约为的浅盘里倒入约深的水。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，待油膜形状稳定。

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）将的油酸溶于酒精，制成的油酸酒精溶液；测得的油酸酒精溶液有50滴。现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上，测得所形成的油膜的面积是。由此估算出油酸分子的直径约为。（结果保留一位有效数字）

（4）某同学在用油膜法估测分子直径的实验中，计算结果明显偏大，可能是由哪些原因造成的？（试写出两条）

答案：（1）（2）④①②⑤③  （3）（4）痱子粉过厚；计算滴数时少记了几滴

解析：（1）将油酸分子看成球形，属于理想化模型，而引入质点的概念采用的方法也是理想化模型，平均速度是采用比值定义法，重心是等效法，研究加速度与力或质量关系的实验采用的是控制变量法。

（2）本实验步骤为：配制油酸酒精溶液→测定一滴油酸酒精溶液的体积（④）→准备浅水盆（①）→形成油膜（②）→描绘油膜边缘，测量油膜面积（⑤）→计算分子直径（③）。故实验步骤为：④①②⑤③。

（3）一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为

油酸分子直径为

（4）在用油膜法估测分子直径的实验中，计算结果明显偏大，可能是由于油酸未完全散开；计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格。

探究归纳

实验中渗透的“放大”思想

为了测量分子大小这一极其微小的量，在用油膜法估测分子直径的实验中两次用了间接测量法来达到“放大”的效果：一是油酸溶于酒精，配制成油酸酒精溶液，对油酸进行稀释；二是数出油酸酒精溶液有多少滴，得出一滴油酸酒精溶液的体积。

迁移应用

1.（2021福建永安第三中学高三月考）用单分子油膜测分子的直径时，对其所用实验方法的正确认识是(      )

A.用量筒测得油酸酒精溶液的体积，计算油酸分子直径时要用到 “ ”

B.用透明方格纸，是为了便于估算一滴油酸溶液形成的油膜面积

C.在水面上撒些痱子粉，是为了让油膜尽量散开并呈现圆形

D.在水面上撒些痱子粉，是为了围住油膜形成规则形状

答案：

解析：用量筒测得油酸酒精溶液的体积，而计算油酸分子直径时要用到的应为一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，故项不正确；用透明方格纸就可估算出油膜的面积，这是实验方法的体现，故项正确；在水面上撒些痱子粉，是为了让油膜尽量散开并呈现圆形，是实验操作步骤，故项不正确；撒些痱子粉，不是为了围住油膜形成规则形状，而是让油酸形成单分子油膜，且一个靠着一个，故项不正确。

2.（2021天津南开中学高三月考）用油膜法估测分子大小的实验步骤如下：

①向体积为的纯油酸中加入酒精，直到油酸酒精溶液总体积为；

②用注射器吸取上述溶液，一滴一滴地滴入小量筒，当滴入滴时体积为；

③先往边长为的浅盘里倒入深的水；

④用注射器往水面上滴一滴上述溶液，等油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描出油酸薄膜的轮廓；

⑤将描有油酸薄膜轮廓的玻璃板，放在画有许多边长为的小正方形的坐标纸上，读出轮廓范围内正方形的总数为。

上述过程中遗漏的步骤是；油酸分子直径的表达式是。

答案：将痱子粉均匀撒在水面上;

解析：在步骤③中，应将痱子粉均匀撒在水面上。

油酸分子直径为

一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为，油膜的面积为，联立解得。

探究点二数据处理和误差分析

例（2021江苏南京师范大学附属实验学校高二月考）某同学在实验室做“用油膜法估测分子直径大小”的实验中，已知油酸酒精溶液的浓度为每溶液中有纯油酸。用注射器抽得上述溶液，现缓慢地滴出溶液，共有溶液滴数为50滴。把1滴该溶液滴入盛水的浅盘中，在刻有小正方形坐标的玻璃板上描出油膜的轮廓如图所示，小正方形方格的边长为。试问：

（1）一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积；

（2）估测出油酸分子的直径（保留1位有效数字）；

（3）在用油膜法估测分子直径的实验中，会使测算结果偏大的操作是。

A.撒的痱子粉过多

B.计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格

C.求每滴体积时，的溶液的滴数误多记了10滴

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）（2）（3） ; ;

解析：（1）一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是；

（2）油膜的面积可通过数方格得到，所围成的方格中，面积超过一半按一格算，小于一半的舍去，图中共有57个方格，故油膜面积为，油酸分子的直径；

（3）水面上痱子粉撒得较多，油膜没有充分展开，则测量的面积偏小，导致结果计算结果偏大，故项正确；计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格，将偏小，故得到的分子直径将偏大，故项正确；求每滴体积时，的溶液的滴数误多记了10滴，由可知，纯油酸的体积将偏小，则计算得到的分子直径将偏小，故项错误；计算时把油酸酒精溶液的体积当成了纯油酸的体积，体积偏大，则偏大，故项正确。

探究归纳

油膜法估测分子大小的解题思路

（1）首先要按比例关系计算出1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积。

（2）其次采用“互补法”计算出油膜的面积。

（3）最后利用公式求出分子的直径。

（4）计算时注意单位要统一。

迁移应用

1.在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，已知一滴溶液中纯油酸的体积为，配制的油酸溶液中纯油酸与溶液体积之比为，油酸溶液为50滴，那么一滴溶液的体积是，所以一滴溶液中油酸体积为。

若实验中测得的结果如表所示，请根据所给数据填写空白处的数值，并与公认的油酸分子直径值比较，判断此实验是否符合数量级的要求。

答案： ; ;  ;    ; ;  符合

解析：1滴溶液的体积，其中含油酸体积

据此算出3次测得的值分别为，，，其平均值

这与公认值的数量级相吻合，故本次估测数值符合数量级的要求。