1.2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小 课时教案（表格式）2025--2026年教科版高中物理选择性必修第三册

1.2《 实验：用油膜法估测油酸分子的大小》课时教案
学科 物理 年级册别 高三上册 共1课时
教材 教科版高中物理选择性必修第三册 授课类型 实验探究课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第一章“分子动理论”的第二节，是学生在学习了物质由大量微观粒子构成、分子热运动等基本概念后，首次通过实验手段直接感知和估算微观世界的尺度。教材以“油膜法”这一经典实验为载体，引导学生理解单分子油膜的形成原理，掌握体积与面积关系的测量方法，并通过计算得出油酸分子直径的数量级。该实验不仅是对分子大小数量级的直观呈现，更是连接宏观可测与微观不可见之间的重要桥梁，在整个热学模块中具有承上启下的作用。
学情分析
高三学生已具备一定的物理思维能力和实验操作基础，熟悉基本测量工具的使用，且在化学课程中接触过阿伏伽德罗常数与摩尔质量的概念，为本实验的数据处理提供了知识支持。然而，学生对“纳米级”尺度缺乏真实感知，容易将分子想象得过大或过小；同时，在实验过程中可能忽视细节控制，如滴液体积的准确性、油膜边界判断的主观性等。此外，部分学生存在“重结果轻过程”的倾向，需通过任务驱动强化科学探究意识。为此，教学中应创设生活化情境激发兴趣，采用小组合作降低操作焦虑，并通过误差分析提升批判性思维能力。
课时教学目标
物理观念
1. 理解油膜法估测分子大小的基本原理，知道油酸分子在水面上可形成单分子层油膜，并能将其简化为圆柱体模型进行定量分析。
2. 掌握利用宏观可测量（油酸酒精溶液的浓度、一滴溶液的体积、油膜面积）推算微观量（分子直径）的方法，建立宏观与微观之间的联系。
科学思维
1. 能够运用理想化模型思想，将复杂的油膜结构抽象为“单分子层”和“紧密排列的球形或立方体”进行建模分析。
2. 在实验数据分析中识别系统误差与偶然误差来源，提出改进措施，发展批判性思维与逻辑推理能力。
科学探究
1. 经历完整的实验设计与操作流程，包括配制溶液、测定一滴体积、描绘油膜轮廓、计算面积与分子直径等环节，提升动手实践能力。
2. 在小组协作中明确分工、规范操作、记录数据并交流讨论，体验科学研究的真实过程。
科学态度与责任
1. 养成严谨求实的科学态度，尊重实验数据，不随意篡改结果，体会精确测量在科学研究中的重要性。
2. 感受人类探索微观世界的努力与智慧，增强对物理学的兴趣与责任感，理解科学技术发展的历史脉络。
教学重点、难点
重点
1. 理解油膜法估测分子大小的实验原理，掌握单分子油膜模型的构建方法。
2. 正确完成实验操作，准确测量一滴油酸酒精溶液的体积及形成的油膜面积，并据此计算分子直径。
难点
1. 理解并实现“单分子层油膜”的理想状态，避免多层堆积或未完全展开的情况。
2. 准确实验数据的获取与处理，尤其是油膜轮廓的描绘与面积测算，以及对实验误差的合理分析。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验法
教具准备
油酸酒精溶液（1:500）、注射器（1mL）、浅盘、痱子粉、玻璃板、彩笔、坐标纸、直尺、计算器、投影仪、微距摄像头
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、从一滴油说起——引发认知冲突 （一）、展示生活现象，提出问题链。
教师手持一瓶食用油，缓缓倒入盛有清水的透明烧杯中，引导学生观察：“请大家注意看，当我把这滴油滴入水中时，它会怎样？”随着油滴漂浮于水面并迅速扩散成薄层，教师继续追问：“为什么油不会沉下去？它能在水面上无限扩散吗？最终形成了什么样的结构？”待油膜稳定后，教师指出：“这个看似普通的油膜，其实藏着一个惊人的秘密——它可以帮我们‘看见’那些肉眼无法察觉的分子！”接着播放一段高速摄影视频，展示一滴油酸酒精溶液滴入撒有痱子粉的水面后瞬间扩散的过程，画面定格在清晰的圆形油膜边缘。
（二）、引入历史背景，激发探究欲望。
教师讲述：“早在20世纪初，英国物理学家瑞利就曾尝试用类似方法估算分子大小。后来，科学家们在此基础上发展出了‘油膜法’，成为测定有机分子尺寸的经典实验之一。今天，我们就化身小小科学家，亲手完成这个跨越百年的实验——用油膜法估测油酸分子的大小。”此时投影课题《1.2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小》，并在黑板上写下标题。“也许你从未想过，一滴小小的液体，竟能揭开微观世界的面纱。正如费曼所说：‘There’s plenty of room at the bottom.’——在微观尺度之下，仍有广阔的空间等待我们去探索。” 1. 观察油滴入水后的扩散现象，思考其原因。
2. 观看视频，关注油膜形成过程与边界特征。
3. 听取教师讲述实验的历史意义，产生探究兴趣。
4. 明确实验任务与目标，进入学习状态。
评价任务 现象描述：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆
设计意图 通过真实的生活情境与震撼的视觉冲击，打破学生对“分子不可见”的固有认知，制造认知冲突，激发好奇心与探究欲；结合科学史讲述，赋予实验人文厚度，让学生感受到自己正在参与一项真实的科学实践，而非简单的技能训练。
原理建构
【8分钟】 一、搭建桥梁——从宏观到微观的思维跃迁 （一）、剖析实验核心假设，建立理想模型。
教师在PPT上逐步展示油酸分子的结构式（CH (CH ) CH=CH(CH ) COOH），强调其“亲水头部”与“疏水尾部”的特性。“当我们将极少量油酸溶于酒精后滴入水中，酒精迅速溶解于水，而油酸因不溶于水且密度小于水，便会在水面铺展。”此时动画演示油酸分子在水面定向排列的过程：亲水基团朝下接触水，疏水碳链向上竖立。“关键在于，如果油酸量足够少，它就会尽可能地铺满整个表面，最终形成只有一层分子厚的薄膜——这就是‘单分子油膜’。”教师特别强调：“我们必须假设所有油酸分子都紧密排列、高度一致、垂直站立，这样才能将整个油膜视为一个扁平的圆柱体。”
（二）、推导计算公式，打通数量关系。
教师在黑板上画出示意图：一个大圆代表油膜表面积S，旁边标注一个小立方体代表单个分子，高为d（即分子直径）。提问：“如果我们知道了这一滴溶液中纯油酸的总体积V，又测得了油膜的总面积S，那么每个分子的高度d该怎么算？”引导学生回忆体积公式：“总体积等于底面积乘以高”，从而得出 V = S × d，变形得 d = V / S。进一步追问：“V怎么得到？我们滴下去的是一滴油酸酒精溶液啊！”引出浓度概念：“若溶液中油酸与酒精体积比为1:500，则一滴溶液中纯油酸体积为 V油酸 = V滴 × (1/500)。”至此，完整公式浮现：d = (V滴 × 1/500) / S。
（三）、强调理想条件，预判实验挑战。
教师提醒：“这个公式的前提是‘单分子层’且‘完全展开’。但在现实中，如果滴多了，可能出现叠加；如果水面不干净，也可能阻碍展开。因此，我们的操作必须极其精细。” 1. 理解油酸分子的两亲性及其在水面的排列方式。
2. 参与公式推导，掌握 d = V/S 的物理含义。
3. 明确实验中的理想化假设与现实限制。
4. 记录关键公式与注意事项。
评价任务 模型理解：☆☆☆
公式推导：☆☆☆
假设识别：☆☆☆
设计意图 通过分子结构解析与动态模拟，帮助学生从微观机制理解实验可行性；借助逻辑推理完成公式建构，强化“宏观量测→微观估算”的跨尺度思维方式；提前揭示理想与现实的差距，培养学生的问题预见能力，为后续操作中的误差控制埋下伏笔。
实验准备
【7分钟】 一、工欲善其事，必先利其器 （一）、介绍实验器材，明确功能用途。
教师依次举起各器材并讲解：使用1mL注射器是为了精确控制液滴体积；浅盘盛水后需水平放置；痱子粉的作用是在水面形成一层可见的指示层，便于观察油膜边界；玻璃板用于覆盖浅盘防止气流干扰；彩笔用来描边；坐标纸配合直尺可快速估算不规则图形面积。特别说明：“为什么不用量筒直接量一滴？因为一滴太小，普通仪器误差太大。我们采用‘累积法’——先数出N滴溶液占据的总体积ΔV，则每滴平均体积 V滴 = ΔV / N。”
（二）、演示关键操作，规范实验步骤。
教师现场演示如何用注射器吸取溶液、如何垂直悬停于液面上方约1cm处缓慢挤压出一滴液体。“注意！不能碰到水面，否则会造成污染或提前释放。”随后演示在水面上均匀撒布薄层痱子粉的方法：“像撒盐一样轻轻抖动，覆盖全盘即可，不宜过厚。”再演示滴液后油膜推开痱子粉形成清晰暗斑的过程，并立即用彩笔在玻璃板上描下轮廓。“描边要快准稳，一旦油膜收缩就来不及了。”最后展示如何将玻璃板上的图案拓印到坐标纸上，通过数格子法估算面积（完整格+半格以上计1，其余舍去）。
（三）、分组安排与安全提示。
将全班分为8组，每组4人，分别担任“操作员”、“记录员”、“测量员”、“监督员”。强调实验纪律：轻声操作、严禁嬉闹、小心打翻；提醒油酸有一定刺激性，避免皮肤直接接触；实验结束后统一回收废液，不得倒入下水道。 1. 认识各类器材名称与功能，了解使用要点。
2. 观察教师示范，掌握滴液、撒粉、描边等关键动作。
3. 明确小组分工，做好角色准备。
4. 遵守实验安全规范，树立环保意识。
评价任务 器材认知：☆☆☆
操作模仿：☆☆☆
分工明确：☆☆☆
设计意图 通过实物展示与现场示范，使学生获得直观的操作经验，减少盲目尝试；采用角色分工促进团队协作与责任落实；强调安全与环保，体现科学工作者的社会责任感，实现“做中学”与“品中学”的融合。
实验实施
【15分钟】 一、动手实践——触摸微观世界的指尖 （一）、配制与校准：确保起点精准。
教师巡视各组，指导学生先用注射器抽取适量油酸酒精溶液，练习挤出液滴的动作。要求每组先连续滴出50滴溶液至空容器中，用注射器刻度读取总体积ΔV（例如0.80mL），计算平均每滴体积 V滴 = ΔV / 50（如0.016mL）。提醒：“不同组甚至同一组多次测量都会有波动，这是正常的，我们要取平均值来减小误差。”
（二）、铺设舞台：打造理想水面。
指导学生向浅盘注入约1cm深的清水，静置片刻使其平稳。然后取少量痱子粉置于筛网中，均匀轻撒于水面，形成一层灰白色薄膜。“这就像给舞台铺上幕布，让演员——也就是油膜——能够清晰亮相。”强调撒粉不宜过多，否则影响油膜扩展。
（三）、释放油滴：见证奇迹时刻。
操作员将注射器垂直对准盘中央上方约1cm处，缓慢推动活塞，释放恰好一滴溶液。全组成员屏息凝视，观察油滴触水瞬间如何推开痱子粉，形成一个逐渐扩大的圆形暗区。“快！油膜稳定只有几秒钟，立刻描边！”监督员负责计时提醒，测量员迅速将玻璃板盖上并用彩笔沿边缘描线。
（四）、数据采集：从图像到数字。
将带有油膜轮廓的玻璃板移至坐标纸上，拓印图形。测量员开始数格子：先统计完全包含在轮廓内的格子数，再估计边缘部分大于半格的计入总数，得到总格数n。已知每小格面积为1.0cm ，则油膜面积 S = n × 1.0 cm 。记录员同步填写实验记录表：V滴、S、浓度比、计算得d值。
（五）、重复验证：追求数据稳健。
鼓励每组至少重复实验三次，更换不同位置重新撒粉，获取多组数据。“科学不相信偶然，我们要用重复来逼近真相。”教师提醒：“如果某次油膜明显不规则或出现多个斑点，说明操作失误，应剔除该数据。” 1. 完成50滴溶液体积测量，计算单滴体积。
2. 合作完成撒粉、滴液、描边全过程。
3. 拓印轮廓并用坐标纸测算油膜面积。
4. 多次实验取平均值，填写数据记录表。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据真实：☆☆☆
合作有效：☆☆☆
设计意图 通过亲手操作，让学生经历“提出问题—设计方案—收集证据—得出结论”的完整探究链条；在紧张而有序的合作中体验科学发现的激动与挑战；通过重复实验培养实证精神，理解数据稳定性的重要性，真正实现“做中学、研中悟”。
数据分析
【7分钟】 一、让数据说话——解读微观密码 （一）、组织数据汇总，开展班级共享。
邀请各组代表将计算出的分子直径d值写在黑板指定区域，形成数据列表。教师统计最大值、最小值与平均值，例如：“我们看到最小的是4.2×10-10m，最大的是7.8×10-10m，平均约为5.6×10-10m。”随即展示标准值：“查阅资料可知，油酸分子直径约为1.1×10-9m，即1.1纳米。我们的结果虽然存在一定偏差，但数量级完全一致——都是10-10米级别！”
（二）、引导误差分析，深化科学理解。
提问：“为什么我们的测量值普遍偏小？”引导学生反思：“是不是油膜没有完全展开？有没有可能是多层堆积反而导致面积偏小？”反问：“如果痱子粉太厚，会不会阻碍油膜扩张？那样面积S测小了，根据d=V/S，d就会偏大。”再问：“我们在计算V_滴时用了平均值，但如果某一滴特别大呢？也会带来误差。”总结常见误差源：①油膜未完全展开（S偏小→d偏大）；②痱子粉过厚阻碍扩展（S偏小→d偏大）；③滴液偏多导致多层（V实际＞理论→d偏大）；④描边滞后油膜收缩（S偏小→d偏大）；⑤坐标纸估读不准（S误差）。
（三）、升华实验价值，连接现代科技。
教师深情总结：“尽管我们的测量不够精确，但我们亲手触摸到了那个看不见的世界。你们知道吗？今天的纳米技术、芯片制造，正是建立在这种对微观尺度的精确掌控之上。一百年前，人们用这样的土办法探索自然；今天，我们站在巨人的肩膀上，更应珍惜这份求真务实的精神。” 1. 报告本组实验结果，参与数据汇总。
2. 分析误差原因，提出改进建议。
3. 理解数量级的意义优于绝对精度。
4. 感受科学传承与技术创新的力量。
评价任务 数据处理：☆☆☆
误差分析：☆☆☆
意义领悟：☆☆☆
设计意图 通过集体数据分析，培养学生处理信息与归纳总结的能力；引导学生正视误差而非回避，理解科学的本质是逼近真理的过程；将传统实验与现代科技相联系，拓宽视野，激发使命感，实现知识、能力与情感的三维升华。
课堂总结
【3分钟】 一、回望来路，仰望星空 （一）、结构化回顾核心知识。
今天我们完成了一项非凡的旅程：从一滴油出发，通过构建单分子油膜的理想模型，利用 d = V/S 这一简洁而深刻的公式，成功估算了油酸分子的大小。我们不仅学会了实验方法，更重要的是建立了宏观与微观之间的桥梁思维。
（二）、激励性展望未来探索。
同学们，你们刚才所做的事情，本质上是在用最朴素的工具回答最根本的问题：“物质是由什么组成的？它们有多大？”这个问题困扰了人类上千年。德谟克利特提出“原子”时，也只是哲学猜想；直到今天我们才能用实验去触碰它。也许未来的某一天，当你走进实验室，使用电子显微镜或X射线衍射仪时，你会想起今天这堂课——那个你第一次用自己的双手，“丈量”了分子的日子。愿你们永远保持这份好奇与勇气，因为在科学的征途上，每一个微小的测量，都是通往浩瀚宇宙的一扇门。 1. 回顾实验原理与操作要点。
2. 理解宏观与微观的联系。
3. 感受科学探索的价值与意义。
4. 树立继续学习物理的信心。
评价任务 知识回顾：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
未来激励：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+激励性”双模式总结，在巩固知识的同时点燃理想之火；引用科学史人物与未来场景，增强课程的纵深感与感染力，让学生意识到自己不仅是知识的接受者，更是科学精神的继承者与传播者。
作业设计
一、实验报告撰写
请根据课堂实验过程，撰写一份完整的实验报告，包含以下内容：
1. 实验目的：简述本实验的目标与意义。
2. 实验原理：画出单分子油膜示意图，写出计算分子直径的公式，并解释每个符号的物理意义。
3. 实验器材：列出所用仪器与材料。
4. 实验步骤：按顺序描述主要操作流程，语言准确、条理清晰。
5. 数据记录与处理：设计表格记录至少三次实验的原始数据（滴数、总体积、单滴体积、格子数、面积、分子直径），并计算平均值。
6. 误差分析：结合课堂讨论，列举三项可能导致误差的操作因素，并说明它们对最终结果的影响方向（偏大或偏小）。
7. 思考题：若实验中使用的油酸酒精溶液浓度被误标为1:400（实际仍为1:500），则测得的分子直径会如何变化？请定量说明理由。
二、拓展阅读与思考
查阅资料回答：
1. 除了油膜法，还有哪些方法可以测量分子大小？请列举两种并简要说明原理。
2. 纳米技术中的“纳米”是指多少米？举例说明一项纳米技术在现实生活中的应用。
3. 写一段话（不少于100字），谈谈你对“人类是如何认识看不见的微观世界”的理解，可结合本节课的学习体会。
【答案解析】
一、实验报告撰写
第7题提示：若误认为浓度为1:400，则计算时使用的油酸体积 V油酸' = V滴 × (1/400)，而实际体积为 V油酸 = V滴 × (1/500)。由于1/400 > 1/500，故 V油酸' > V油酸，代入 d = V/S 得 d' > d，因此测得的分子直径会偏大。
二、拓展阅读与思考
1. 示例：扫描隧道显微镜（STM）利用量子隧穿效应探测表面原子排列；X射线衍射法通过晶体对X射线的衍射图样反推出原子间距。
2. “纳米”是10-9米。应用示例：纳米涂层用于手机屏幕防指纹、防水；纳米药物载体可靶向输送抗癌药。
3. 开放性答案，鼓励学生表达对模型建构、间接测量、技术进步在认识微观世界中作用的理解。
板书设计
《1.2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小》
【左侧】实验原理
油酸分子 → 亲水头 + 疏水尾 → 单分子层排列
↓
理想模型：V = S × d
↓
d = V / S = (V滴 × 浓度) / S
↓
数量级：10 m
【中部】实验步骤流程图
配液 → 测一滴体积（累积法）
↓
注水 → 撒痱子粉（指示层）
↓
滴液 → 油膜推开粉末 → 描边
↓
拓印 → 坐标纸数格 → 算面积
↓
计算 → 多次取平均
【右侧】误差分析栏（课堂生成）
油膜未展开 → S↓ → d↑
粉太厚 → S↓ → d↑
滴液过多 → 多层 → V↑ → d↑
描边滞后 → S↓ → d↑
数格误差 → S不准 → d不准
教学反思
成功之处
1. 以“一滴油”为切入点，巧妙构建生活化情境，有效激发了学生的好奇心与参与热情，课堂氛围活跃而有序。
2. 采用“教师示范+小组合作+重复实验”的模式，既保证了操作规范性，又提升了学生的动手能力与团队协作意识，多数小组能独立完成全流程。
3. 在数据分析环节注重引导学生自主反思误差来源，实现了从“追求正确答案”到“理解科学本质”的转变，体现了探究式教学的核心理念。
不足之处
1. 个别小组因初次操作不熟练，导致油膜形态不规则或滴液失控，影响了数据质量，今后可在课前增加模拟练习环节。
2. 坐标纸面积测算耗时较长，部分小组未能充分展开讨论，建议后续引入数字化图像处理软件辅助测量，提高效率。
3. 对于“数量级”概念的强调仍显不足，少数学生过于纠结数值是否接近标准值，需进一步加强科学素养的渗透。