2024-2025學(xué)年新教材高中物理第一章分子動(dòng)理論2實(shí)驗(yàn)用油膜法估測(cè)油酸分子的大小學(xué)案新人教版選擇性必修3

PAGE9-試驗(yàn):用油膜法估測(cè)油酸分子的大小課程標(biāo)準(zhǔn)素養(yǎng)目標(biāo)通過試驗(yàn),估測(cè)油酸分子的大小。1.知道用單分子油膜方法估算分子的直徑的原理。2.培育學(xué)生在物理學(xué)中的估算實(shí)力。3.體會(huì)通過測(cè)量宏觀量來探討微觀量的思想方法。試驗(yàn)屬性學(xué)生必做試驗(yàn)必備學(xué)問·素養(yǎng)奠基(1)了解油酸分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),學(xué)會(huì)用油膜法估測(cè)油酸分子大小。(2)初步學(xué)會(huì)用統(tǒng)計(jì)的方法求物理量。序號(hào)器材名稱備注1無水酒精2油酸若干毫升3淺盤1只30cm×40cm4注射器(或滴管)1支5透亮玻璃蓋板1塊6量筒1個(gè)500mL7燒杯1個(gè)8彩色水筆1支9爽身粉(或石膏粉)帶紗網(wǎng)或粉撲10坐標(biāo)紙1張一、試驗(yàn)思路1.用注射器(或滴管)取1mL的油酸,向1mL油酸中加酒精,直至總量達(dá)到500mL配制成備用油酸酒精溶液;用注射器(或滴管)提取1mL油酸酒精溶液,并測(cè)算出從滴管中滴出一滴油酸酒精溶液的體積,進(jìn)而算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V。2.在盛水淺盤中裝入約2cm深的蒸餾水,為便于觀測(cè)油膜的面積,可在水面上輕撒一層爽身粉,然后在水面中心滴一滴油酸酒精溶液,于是油酸在水面上快速散開,待油膜面積不再擴(kuò)大時(shí),將透亮玻璃蓋板蓋在淺盤上,用彩色筆描出油膜的輪廓圖(如圖甲所示);把繪有油膜輪廓圖的透亮玻璃蓋板放在方格紙上,數(shù)出油膜所占的格數(shù),然后計(jì)算出油膜的面積S;于是,由d=便可測(cè)算出油膜的厚度。3.油酸在水面上形成單分子層油膜,油酸分子的一端對(duì)水有很強(qiáng)的親和力,被吸引在水中,另一端對(duì)水沒有親和力,便冒出水面。油酸分子都是直立在水中的,單分子油膜的厚度等于油酸分子的長(zhǎng)度。若把分子看成小球(如圖乙所示),油膜的厚度也就等于分子的直徑,其數(shù)量級(jí)為10-10m二、物理量的測(cè)量1.測(cè)量1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積。(1)用注射器(或滴管)取1mL的純油酸,放入500mL的量筒中,然后再向量筒內(nèi)加無水酒精,直到總量達(dá)到500mL,則油酸酒精溶液的濃度為0.2%。(2)用注射器吸取m毫升油酸酒精溶液,再把它一滴一滴地滴入燒杯中,登記液滴的總滴數(shù)N。則1滴油酸酒精溶液的體積為毫升。(3)1滴油酸酒精溶液中所含純油酸的體積V=0.2__%×毫升。

2.測(cè)量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面積S。在淺盤里盛上水,一只手捏住盛有爽身粉的布袋,另一只手拍打,將爽身粉勻稱地撒在水面上,然后,用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液,油酸馬上在水面散開,形成一塊油膜。油膜上沒有爽身粉,可以清晰地看出它的輪廓如圖。在玻璃板上描下薄膜的形態(tài)。依據(jù)畫有油膜輪廓的玻璃板上的坐標(biāo)方格,計(jì)算輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù),不足半個(gè)的舍去,多于半個(gè)的算一個(gè)。然后,把正方形的總個(gè)數(shù)乘單個(gè)正方形的面積就得到油膜的面積S。如圖正方形的總個(gè)數(shù)為87個(gè)。假如正方形的邊長(zhǎng)為1cm,則油膜的面積為8.7×10-3m關(guān)鍵實(shí)力·素養(yǎng)形成一、試驗(yàn)步驟1.取1mL(1cm3)的油酸溶于酒精中,制成500mL的油酸酒精溶液。2.往邊長(zhǎng)約為30～40cm的淺盤中倒入約2cm深的水,然后將爽身粉或石膏粉勻稱地撒在水面上。3.用注射器吸取一段油酸酒精溶液,由注射器上的刻度讀取該段溶液的總體積,再把它一滴一滴地滴入燒杯中,登記液滴總滴數(shù),用它們的總體積除以總滴數(shù),得到1滴油酸酒精溶液的體積。4.用滴管(或注射器)向水面上滴入一滴配制好的油酸酒精溶液,油酸就在水面上漸漸散開,形成單分子油膜。5.待油酸薄膜形態(tài)穩(wěn)定后,將一塊較大的玻璃板蓋在淺盤上,用彩筆將油酸薄膜的形態(tài)畫在玻璃板上。6.將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上,算出油酸薄膜的面積。7.依據(jù)油酸酒精溶液的濃度,算出一滴溶液中純油酸的體積V,依據(jù)純油酸的體積V和薄膜的面積S,算出油酸薄膜的厚度d=,即為油酸分子的直徑。8.比較算出的分子直徑,看其數(shù)量級(jí)(單位為m)是否為10-10,若不是10-10需重做試驗(yàn)?！舅妓鳌ぬ接憽?1)怎樣能把油酸分子單層排列呢?提示:把油酸用酒精稀釋,使單位體積內(nèi)的油酸分子數(shù)削減,把油酸酒精溶液滴在水面上后,酒精能快速溶于水或者蒸發(fā),水面上只有油酸分子,且能單層排列。(2)該試驗(yàn)中在水面上為什么要用爽身粉?提示:因?yàn)橛退崾峭噶恋?油酸酒精溶液滴在水面時(shí),酒精溶于水,油酸形成單分子油膜,假如不用爽身粉,油酸擴(kuò)散的邊緣看不清。(3)如何計(jì)算油酸在水面上的面積呢?提示:待油膜形態(tài)穩(wěn)定后,用透亮玻璃蓋板蓋在淺盤上,用彩色水筆在透亮玻璃蓋板上畫輪廓,把畫有輪廓的透亮玻璃蓋板放在坐標(biāo)紙上,以邊長(zhǎng)1cm的正方形為單位,計(jì)算輪廓內(nèi)正方形的個(gè)數(shù),不足半個(gè)的舍去,大于半個(gè)的算一個(gè),則油膜的面積S=n×1cm2(n為有效格數(shù),小方格的邊長(zhǎng)為1cm)。二、數(shù)據(jù)收集依據(jù)試驗(yàn)步驟記錄的數(shù)據(jù),完成表格:試驗(yàn)次數(shù)量筒內(nèi)增加1mL溶液時(shí)的滴數(shù)一滴純油酸的體積V輪廓內(nèi)的正方形數(shù)輪廓面積S油酸分子的直徑/m平均值12用油膜法估測(cè)分子的直徑,試驗(yàn)誤差通常來自三個(gè)方面:1.形成單分子油膜:只有形成單分子油膜,才能用油膜的厚度代表分子的直徑,即d=。要求運(yùn)用的酒精的濃度、爽身粉的用量相宜;即使能做到單分子排列,但是油酸分子(C17H33COOH)的形態(tài)為長(zhǎng)鏈形,將其視為球體則與實(shí)際分子形體有區(qū)分,所以試驗(yàn)只能得到分子直徑的數(shù)量級(jí),而不能得到精確值。2.油酸的體積V:用累積法測(cè)油酸的體積。先測(cè)出m毫升的油酸酒精溶液的滴數(shù),從而計(jì)算出一滴油酸酒精溶液的體積,再由油酸酒精溶液的濃度算出純油酸的體積,這樣計(jì)算出的體積存在誤差。3.油膜的面積S:用坐標(biāo)紙測(cè)出形態(tài)不規(guī)則油膜的面積。數(shù)出不規(guī)則圖形的輪廓包圍的正方形個(gè)數(shù),計(jì)算正方形個(gè)數(shù)時(shí),不足半個(gè)的舍去,多于半個(gè)的算一個(gè),正方形邊長(zhǎng)的單位越小,這種方法求出的面積越精確。1.油酸酒精溶液的濃度應(yīng)小于0.2%,油酸酒精溶液配制后不要長(zhǎng)時(shí)間放置,以免變更濃度,產(chǎn)生誤差。2.爽身粉的用量不要太多,否則不易勝利,在水面上撒爽身粉時(shí),留意不要觸動(dòng)淺盤中的水。3.注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在1cm之內(nèi)。當(dāng)針頭靠水面很近(油酸未滴下之前)時(shí),會(huì)發(fā)覺針頭下方的粉層已被排開,是由針頭中酒精揮發(fā)所致,不影響試驗(yàn)效果。4.測(cè)1滴油酸酒精溶液的體積時(shí),滴入量筒中的油酸酒精溶液的體積應(yīng)為整毫升數(shù),應(yīng)多滴幾滴,數(shù)出對(duì)應(yīng)的毫升數(shù),這樣求平均值時(shí)誤差較小。5.在有機(jī)玻璃板上描繪輪廓時(shí)動(dòng)作輕而快速,眼睛視線要始終與玻璃垂直。6.當(dāng)重做試驗(yàn)時(shí),水從盤的一側(cè)邊緣倒出,在這側(cè)邊緣會(huì)殘留油酸,可用少量酒精清洗,并用脫脂棉擦去,再用清水沖洗,這樣可保持盤的清潔。7.本試驗(yàn)只要求估算分子大小,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)量級(jí)符合要求即可。在做本試驗(yàn)時(shí),把爽身粉勻稱撒在水面上是很關(guān)鍵的一步。在實(shí)際操作時(shí)常常撒得不勻稱或撒得過多,因爽身粉不溶于水又不能攪拌,只好重做。可用印刷碳粉代替爽身粉,因?yàn)橛∷⑻挤鄄蝗苡谒移圃谒嫔?若撒得太多,可將水和碳粉一起倒出,然后用玻璃棒攪拌,直至碳粉在水面薄且勻稱,若撒得不勻稱,可干脆用玻璃棒攪拌勻稱。試驗(yàn)研析·素養(yǎng)遷移類型一試驗(yàn)操作【典例1】(2024·全國(guó)卷Ⅲ)用油膜法估算分子大小的試驗(yàn)中,首先需將純油酸稀釋成肯定濃度的油酸酒精溶液,稀釋的目的是______________________。

試驗(yàn)中為了測(cè)量出一滴已知濃度的油酸酒精溶液中純油酸的體積,可以____________________________________________________________。為得到油酸分子的直徑,還需測(cè)量的物理量是________________________________。

【解題探究】(1)為什么油酸要被稀釋,且要求油酸酒精溶液的濃度以小于0.2%為宜?提示:由于分子直徑特別小,極少量油酸所形成的單分子層油膜面積也會(huì)很大,因此試驗(yàn)前須要將油酸稀釋,使油酸在淺盤的水面上簡(jiǎn)單形成一塊單分子層油膜。(2)怎樣求出稀釋后一滴油酸酒精溶液內(nèi)純油酸的體積?提示:一滴油酸溶液中純油酸的體積V=η(η為油酸酒精溶液的濃度,N為滴數(shù),V液為N滴油酸酒精溶液的體積)【解析】稀釋的目的是使油酸在淺盤的水面上簡(jiǎn)單形成一塊單分子層油膜;為了測(cè)量出一滴已知濃度的油酸酒精溶液中純油酸的體積,可以把油酸酒精溶液一滴一滴地滴入小量筒中,測(cè)出1mL油酸酒精溶液的滴數(shù),就能得到一滴溶液中純油酸的體積。為得到油酸分子的直徑,我們還需測(cè)量出單分子層油膜的面積。答案:見解析類型二數(shù)據(jù)處理【典例2】“用油膜法估測(cè)分子的大小”的試驗(yàn)的方法及步驟如下:①往邊長(zhǎng)約為40cm的淺盤里倒入約2cm深的水。待水面穩(wěn)定后將適量的爽身粉勻稱地撒在水面上。②用注射器將事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形態(tài)穩(wěn)定。③將畫有油膜形態(tài)的玻璃板平放在坐標(biāo)紙上,計(jì)算出油膜的面積,依據(jù)油酸的體積和面積計(jì)算出油酸分子直徑的大小。④用注射器吸取一段油酸酒精溶液,由注射器上刻度讀取總體積,再把它一滴一滴地滴入燒杯,登記總滴數(shù),算出一滴油酸酒精溶液體積。⑤將玻璃板放在淺盤上,然后將油膜的形態(tài)用彩筆描繪在玻璃板上。完成下列填空:(1)上述步驟中,正確的依次是__。

(2)向體積V油=1mL的油酸中加酒精,直至總量達(dá)到V總=500mL;用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液1mL,把它一滴一滴地滴入小量筒中,當(dāng)?shù)稳雗=100滴時(shí),恰好結(jié)束;將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上,如圖所示,數(shù)出輪廓范圍內(nèi)小方格的個(gè)數(shù)N,小方格的邊長(zhǎng)l=20mm。1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V′是________mL;油酸分子直徑是________m。

【解析】(1)試驗(yàn)操作起先之前要先配制油酸酒精溶液,確定每一滴溶液中含有純油酸的體積,所以步驟④放在首位。試驗(yàn)操作時(shí)要在淺盤中放水、爽身粉,為油膜形成創(chuàng)建條件,然后是滴入油酸、測(cè)量油膜面積、計(jì)算油膜厚度(即油酸分子直徑),所以接下來的步驟是①②⑤③。(2)1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V′=×mL=2×10-5mL;依據(jù)大于半個(gè)方格的算一個(gè),小于半個(gè)方格的舍去,油膜形態(tài)占據(jù)的方格數(shù)大約為113個(gè),故面積S=113×20×20mm2=4.52×104mm2,油酸分子直徑d==mm≈4.4×10-7mm=4.4×10-10m。答案:(1)④①②⑤③(2)2×10-54.4×10-10課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.某種油劑的密度為8×102kg/m3,若不慎將A.10-3m2B.105m2【解析】選C。油滴的體積V==m3=1×10-3m3,湖面受污染面積S==m2=107m2=10km22.(多選)在“用油膜法估測(cè)分子的大小”的試驗(yàn)中,下列做法正確的是 ()A.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滴溶液的體積是1mL,則1滴溶液中含有油酸10-2mLB.往淺盤里倒入適量的水,再將爽身粉或細(xì)石膏粉勻稱地撒在水面上C.用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液,同時(shí)將玻璃板放在淺盤上,并馬上在玻璃板上描下油酸膜的形態(tài)D.依據(jù)1滴油酸酒精溶液中油酸的體積V和油膜面積S就可以算出油膜厚度d=,即油酸分子的大小【解析】選B、D。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滴溶液的體積是1mL,則1滴油酸酒精溶液的體積是10-2mL,含有油酸的體積小于10-2mL,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;往淺盤里倒入適量的水,再將爽身粉或細(xì)石膏粉勻稱地撒在水面上,選項(xiàng)B正確;用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液,同時(shí)將玻璃板放在淺盤上,待油酸膜形態(tài)穩(wěn)定后,在玻璃板上描下油酸膜的形態(tài),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;依據(jù)1滴油酸酒精溶液中油酸的體積V和油膜面積S就可以算出油膜厚度d=,即油酸分子的大小,選項(xiàng)D正確。3.在做“油膜法估測(cè)分子的直徑”的試驗(yàn)中,下列操作正確的是 ()A.將純油酸干脆滴在水面上B.向量筒中滴1mL油酸酒精溶液,登記其滴數(shù)C.用試管向水面倒油酸酒精溶液少許D.在計(jì)算油膜面積時(shí),凡是占到方格的一部分的都計(jì)入方格的總數(shù)【解析】選B。不能將純油酸干脆滴在水面上,A錯(cuò);不能用試管向水面倒溶液,應(yīng)運(yùn)用滴管,C錯(cuò);占到方格一半或一半以上面積的計(jì)入方格總數(shù),D錯(cuò);故選B。【補(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)關(guān)于“用油膜法估測(cè)分子大小”的試驗(yàn),下列說法正確的是 ()A.單分子油膜的厚度被認(rèn)為是油酸分子的直徑B.試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,分子直徑的數(shù)量級(jí)是10-12C.試驗(yàn)時(shí)先將爽身粉勻稱撒在水面上,再把一滴油酸酒精溶液滴在水面上D.處理數(shù)據(jù)時(shí)將一滴油酸酒精溶液的體積除以油膜面積就算得油酸分子的直徑【解析】選A、C。分子直徑的數(shù)量級(jí)是10-10m4.(多選)某同學(xué)在用油膜法估測(cè)分子直徑的試驗(yàn)中,計(jì)算結(jié)果明顯偏大,可能是由于 ()A.油酸未完全散開B.油酸中含有大量酒精C.求每滴體積時(shí),1mL溶液的滴數(shù)多數(shù)了幾滴D.計(jì)算油膜面積時(shí),舍去了全部不足一格的方格【解析】選A、D。形成的油膜不是單分子層,計(jì)算的油膜厚度就不是分子直徑,比分子直徑大得多,A正確;滴入水中后酒精都溶入水中,B錯(cuò)誤;計(jì)算體積時(shí)多數(shù)了幾滴,會(huì)使計(jì)算的油酸體積偏小,當(dāng)然計(jì)算的分子直徑也偏小,C錯(cuò)誤;數(shù)方格時(shí)舍去了全部不足一格的方格,計(jì)算出的油膜面積偏小,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大,D正確。5.在“用油膜法估測(cè)油酸分子直徑”的試驗(yàn)中,某同學(xué)按如下操作:a.在量筒中滴入一滴已配制好的油酸酒精溶液,測(cè)出其體積b.在裝有水、撒適量爽身粉的淺盤中滴入一滴已配制好的溶液,使薄膜形態(tài)穩(wěn)定c.將玻璃板放在淺盤上,將油膜形態(tài)描繪在玻璃板上d.將玻璃板平放在坐標(biāo)紙上,計(jì)算出油膜的面積,依據(jù)油酸體積和