第一章　2　实验：用油膜法估测油酸分子的大小 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

2　实验：用油膜法估测油酸分子的大小
[学习目标]　
1.掌握油膜法估测分子大小的实验原理以及数据处理的思路和方法(重点)。
2.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。
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________层油酸分子中的烃基C17H33－组成。
把分子简化为________形处理，并认为它们紧密排布，测出油膜的________，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________与它在水面上摊开的________之比，如图所示。
二、实验器材
配制好的一定浓度的________________、浅盘、水、________、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________除以________，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________地撒在水面上。
(2)用注射器向水面上滴1滴____________________，油酸立即在水面散开，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________________。
(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________，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________________。
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＝。
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________ 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？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2．实验中为什么在水面上撒爽身粉？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
3．为什么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___________________________________________________。
例2　(2023·泰州市高二期中)(1)在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，实验简要步骤如下：
A．根据油酸酒精溶液的浓度，算出1滴溶液中纯油酸的体积V，用公式d＝，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小
B．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
C．用浅盘装入约2 cm深的水，然后将爽身粉或细石膏粉均匀地撒在水面
D．将1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绘在玻璃板上
E．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
上述实验步骤的合理顺序是________________________________________________；
(2)以上实验所用的油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸0.6 mL，用注射器测得1 mL上述溶液有80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，得到油酸薄膜的轮廓形状如图所示，图中正方形格的边长为1 cm，则可求得：
①1滴溶液中纯油酸的体积是__________________________ mL；
②油酸分子的直径是________ m(保留一位有效数字)。
(3)在实验操作及数据处理过程中，以下说法中不正确的是________。
A．处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列
B．处理数据时将1滴油酸酒精溶液的体积除以油膜面积就得到了油酸分子的直径
C．若实验中撒的爽身粉过多，则计算得到的油酸分子的直径将偏大
D．若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，则计算得到的油酸分子的直径将偏小
2　实验：用油膜法估测油酸分子的大小
[学习目标]　1.掌握油膜法估测分子大小的实验原理以及数据处理的思路和方法(重点)。2.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。
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，油酸立即在水面散开，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＝。
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＝
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＝，近似认为其等于油酸分子的直径。
例2　(2023·泰州市高二期中)(1)在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，实验简要步骤如下：
A．根据油酸酒精溶液的浓度，算出1滴溶液中纯油酸的体积V，用公式d＝，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小
B．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
C．用浅盘装入约2 cm深的水，然后将爽身粉或细石膏粉均匀地撒在水面
D．将1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绘在玻璃板上
E．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
上述实验步骤的合理顺序是________________________________________________；
(2)以上实验所用的油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸0.6 mL，用注射器测得1 mL上述溶液有80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，得到油酸薄膜的轮廓形状如图所示，图中正方形格的边长为1 cm，则可求得：
①1滴溶液中纯油酸的体积是________ mL；
②油酸分子的直径是________ m(保留一位有效数字)。
(3)在实验操作及数据处理过程中，以下说法中不正确的是________。
A．处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列
B．处理数据时将1滴油酸酒精溶液的体积除以油膜面积就得到了油酸分子的直径
C．若实验中撒的爽身粉过多，则计算得到的油酸分子的直径将偏大
D．若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，则计算得到的油酸分子的直径将偏小
答案　(1)CBDEA(或BCDEA)　(2)①7.5×10－6　②6×10－10　(3)B
解析　(1)实验步骤为：将配制好的油酸酒精溶液，通过量筒测出1滴此溶液的体积。然后将1滴此溶液滴在撒有爽身粉的浅盘里的水面上，待形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔描绘出油酸膜的形状，将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，按不足半个舍去，多于半个的算一个，统计出油酸薄膜的面积。用1滴此溶液中纯油酸的体积除
以1滴此溶液的面积，恰好就是油酸分子的直径，故合理的顺序排列为：CBDEA或BCDEA。
(2)1滴溶液中纯油酸的体积是V＝× mL＝7.5×10－6 mL，由题图所示油膜可知，油膜所占坐标纸的格数是118个，油膜的面积为S＝1 cm×1 cm×118＝118 cm2
油酸分子的直径是d＝＝ cm＝6×10－10 m。
(3)处理数据时将油酸分子看成单分子层且紧密排列，选项A正确，不符合题意；处理数据时将1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积除以油膜面积就得到了油酸分子的直径，选项B错误，符合题意；若实验中撒的爽身粉过多，则油膜不能完全散开，油膜面积测量值偏小，则计算得到的油酸分子的直径将偏大，选项C正确，不符合题意；若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，则计算得到的1滴油酸酒精溶液中所含的纯油酸的体积偏小，则油酸分子的直径将偏小，选项D正确，不符合题意。