2021-2022学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册1.1 物质是由大量分子组成的 教学设计

1.1《物质是由大量分子组成的》教学设计
一、课程标准要求
1.通过实验，估测油酸分子的大小；
2.了解分子动理论的基本观点及相关的实验证据.
二、教学目标
1.能利用油膜法估测油酸分子的大小，知道分子大小的数量级.
2.知道物质是由大量分子组成的，能运用阿伏伽德罗常数进行相应计算.
3.通过了解分子动理论的史实，知道所有的物理结论都必须接受实践的检验.
三、教材分析
教材通过扫描隧道显微镜对分子的测定、油膜法实验、阿伏伽德罗常数的应用三个部分的教学，从了解现代研究成果、亲手做测量实验、换算宏观量与微观量三个不同的角度，让学生进一步认识到分子很小、一切宏观物质都是由大量分子组成的，由此建构对微观世界的基本认识，这一内容是本节教学的核心内容，也是重点内容.
四、学情分析
通过学习小学科学以及初中物理、化学等课程，学生已经知道“物质是由大量分子组成的”，但对这一结论的由来不一定清楚，也不知道该如何测定分子的大小.
学生在学习的过程中，可能更关注知识性的结论与计算的技能技巧，如分子
大小的数量级、运用阿伏伽德罗常数进行相关计算等，而不关注实验的体验、实验的原理、实验中众多问题的处理方法，以及所学的知识是怎么得来.
五、教学重难点
重点：掌握实验利用油膜法测油酸分子的大小.难点：运用阿伏伽德罗常数进行相应计算.
六、教学过程课堂引入
暮春时节，金黄的油菜花铺满了原野。微风拂过，飘来阵阵花香。同学们有
没有想过，为什么能够闻到这沁人心脾的香味呢？古希腊学者德谟克利特早就对此做出了解释，他认为这是由于花的原子飘到人们的鼻子里。
一、分子的大小
我们以前学过，组成物质的微粒是多种多样的，或是原子（如金属），或是离子（如盐类），或是分子（如有机物）。
在热学中，由于原子、离子、分子这些微粒做热运动时遵从相同的规律，为了简化，通常统称为分子。
组成物质的分子很小，不仅用肉眼无法看到它们，而且用高倍的光学显微镜也观察不到。那要怎样才能看到分子呢？
1.扫描隧道显微镜观测
20 世纪 80 年代，人类首次使用可放大上亿倍的扫描隧道显微镜观察到单个的分子或原子。
这是我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子的排列图，图中每个亮斑都是一个碳原子.
2.分子的大小的数量级
这是用扫描隧道显微镜拍摄的硅晶体表面的原子排列图，从图中的长度以及硅原子的个数，我们可以得知硅原子的直径约为 4.92×10-10m。
一般来说，不同物质分子直径大小不同，通常是 10-10m 的数量级。
如果我们比较硅原子跟乒乓球的大小，就像比较乒乓球与地球的大小一样，可见两者相差悬殊。
3．分子大小的估测——单分子油膜法
分子如此小，能否通过简单的实验来估测它的大小呢？
同学们，我们先思考一个问题：怎么测量一粒小米的直径？
取一定量的小米，测出它的体积 V，然后把它平摊在桌面上，上下不重叠，一粒紧挨一粒，量出这些米粒占据桌面的面积 S，从而计算出米粒的直径 d=V/S。由于小米之间存在间隙，所以我们只是粗略得到小米的直径。
人们借鉴测量一粒小米直径的方法，巧妙设计了油膜法实验来粗略测量分子的直径。
根据油酸分子的特性，当我们将油酸滴在水面上时，密度较小的油酸会在水面散开，形成极薄的一层油膜。油酸分子中较大的“头部”（烃链）不溶于水，而很小的“尾巴”（羧基）对水有很强的亲和力。因此，油酸分子在水中会竖起来，“头部”露出水面，而“尾巴”则留在水中。如果水面足够大，油膜展开得足够充分，则油酸分子就会一个挨一个整齐地紧密排列在水面上，形成单分子油膜。
在用油膜法测定分子的直径时，实际上做了理想化处理：
(1)把分子看成一个个小球；
(2)油酸分子一个紧挨一个整齐排列；
(3)认为油膜厚度等于分子直径。
由于油酸分子的“尾巴”很小，可以忽略不计，则只需测算出一滴溶液中纯油酸的体积 V 和在水面形成的油膜面积 S，根据 d=V/S 可算出油膜的厚度，即可估算出油酸分子的直径大小。
4.思考与讨论：
同学们，我们思考一个问题：能否直接将纯油酸滴入水中呢？
我们来看一下如果直接将纯油酸滴入水中，会有怎样的实验现象？
如果直接用纯油酸，一方面，油酸分子间作用力较大，不容易被分散，不易形成单分子油膜。另一方面，一滴纯油酸在水面展开的面积比我们所用容器面积大得多。稀释后,使得一滴溶液中油酸含量很少，有利于油酸在水面上形成单分子油膜且展开的面积小。
由于油酸溶于酒精，酒精也易溶于水，不会对实验造成影响。因此，我们往往使用酒精来稀释油酸。
二.利用油膜法测油酸分子的大小
1.实验过程
接下来，我们一起观看利用油膜法测油酸分子大小的实验过程。
2.数据处理
同学们，看完实验，我们有几个数据处理需要注意的。
（1）配制一定浓度的油酸酒精溶液。可以向 1mL 油酸中加酒精，直至总量达到
500mL。
（2）计算一滴溶液油酸的体积。用注射器往量筒中滴入 1mL 配制好的油酸酒精溶液，记下滴入的滴数 N。
（3）测量油膜的面积。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。我们可以先圈出大块的矩形面积；对于周围小块的面积，不足半格舍去，多于半格的算一个。最后，油膜的面积=单个面积×正方形个数。
3.实验结论
结合我们实验数据，我们可以测得油酸分子直径 1.7×10-9m，查阅资料，我们发现油酸分子大小的理论值是 1.12×10-9m，即使用高倍光学显微镜也无法直接观测，更无法直接测量。上述实验借用宏观的体积、面积来估测微观的分子直径，这是一种借宏观量来研究微观量的方法。
4.思考与讨论
完成实验后，我们思考两个问题
（1）用油膜法测油酸分子的实验中，撒痱子粉的作用是什么？
答：如果不撒痱子粉，滴入的油酸酒精溶液在酒精挥发后剩余的油膜不能形成一块完整的油膜，油膜间的缝隙会造成测量误差增大甚至实验失败。同时，撒痱子粉便于观察所形成的油膜的轮廓。
（2）上述实验产生误差的主要原因有哪些？
我们分两部分讨论，一部分是系统误差。如：油膜的厚度不是单分子排列，那么油膜的面积会偏小，在体积不变的情况下，测得油酸分子直径会偏大，所以我们在配置油酸溶液时，浓度尽可能小一些。
另外一部分是偶然误差，如：①1 滴油酸酒精溶液的实际体积不准确，此时我们可以多测几次，求 1 滴油酸酒精溶液体积的平均值；②测量油膜面积不准确，此时我们选用方格小一点坐标纸，或者油性笔选细头等方法
三、阿伏伽德罗常数
既然分子很小，那么构成物质的分子数目一定很大，我们通过例题 1 估算这一数目究竟有多大呢？
例题 1:已知水分子的直径约为 4.0x10-10m，请尝试设计一个案例能让人直观地感受到水分子数目的巨大.如果要数出这些分子，需要多少年才能数完
1.阿伏加德罗常数 NA
1 摩尔（mol）任何物质所含的微粒数叫做阿伏加德罗常数，用符号 NA 表示，在通常计算中取 NA=6.02×1023 mol-1
阿伏伽德罗是意大利著名的物理学家、化学家，于 1811 年提出一个对近代科学有深远影响的假说:在相同的温度和相同的压力条件下，相同体积中的任何气体总具有相同的分子个数.
200 余年来，科学家用各种方法企图准确地测量阿伏伽德罗常数，但是由于这个常数的数值非常巨大，约为 6.02x1023mol-1，想要测准这个数值确非易事.
2.阿伏加德罗常数是联系微观量和宏观量的桥梁
在生活中，我们会发现石头、水这类固液体比较难压缩的，因为他们分子间距很小，而空气非常容易压缩，因为他们分子间距很大。
为了方便数据处理，我们可以将分子简化成两种模型，一种是固体、液体分子模型，他们分子间隙比较小，分子之间的距离等于分子的直径，所以我们可以看成一个个紧挨着的小球模型或者立方体模型。
3.分子的两种模型
例题 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 。
例题 3：环境与人类健康问题越来越受到重视，公共场所都贴有禁止吸烟的标志.在一个面积约 10m2 的办公室内，如果一人吸烟使得办公室内空气有害气体的分子数占分子总数的万分之五，假设有害气体在室内空气中均匀分布，已知此时室内空气摩尔体积为 22.4 L/mol，试估算:
(1)该办公室内的人每呼吸一次，吸人的有害气体的分子数.(按人正常呼吸一次吸入的气体约为 500mL 计算)
(2)室内空气中每两个有害气体分子的间距
课堂总结
1.知道分子大小的数量级；
2.能利用油膜法估测油酸分子的大小；
3.知道物质是由大量分子组成的，能运用阿伏伽德罗常数计算。