2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册课件：1.2 科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小（45张PPT）

第2节　科学测量:用油膜法估测油酸分子的大小
【实验目的】
1.探究估测分子的大小的方法。
2.体会通过测量宏观量来研究_______的思想方法。
【实验器材】
用酒精稀释过的_____、滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板、彩笔、量筒、
_______。
微观量
油酸
坐标纸
【实验原理与设计】
把一定体积的油酸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模型,计算出1滴油酸中含有纯油酸的体积V,并测出油
膜面积S,通过计算求出油膜的厚度d,即d= 就是油酸分子的直径。
【实验过程】
一、实验步骤
1.配制油酸酒精溶液,取1 mL的油酸滴入酒精中配制成500 mL的油酸酒精溶液。
2.用滴管或注射器将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内增加一定体积(例如1 mL)时的滴数,算出一滴油酸酒精溶液的体积。
3.实验时先向边长为30～40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水,然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上,用滴管往水面上滴一滴油酸酒精溶液,油酸立即在水面上散开,形成一块薄膜。
4.待油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板放在浅盘上,然后将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上。
5.将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,算出油酸薄膜的面积S。求面积时
以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位。数出轮廓内正方形的个数,不足半个的
舍去,多于半个的算一个。
6.根据配制的油酸酒精溶液的浓度,算出一滴溶液中纯油酸的体积V。根据一滴
纯油酸的体积V和薄膜的面积S即可算出油酸薄膜的厚度d= ,即油酸分子的大
小。
【思考?讨论】
油酸扩散后又收缩,什么原因? (科学思维)
提示:扩散后又收缩有两个原因:第一,水面受油酸滴的冲击凹陷后又恢复;第二,酒精挥发后液面收缩。
二、数据收集与分析
根据上面记录的数据,完成表格:
【思考?讨论】
怎样测量一滴油酸酒精溶液的体积? (科学思维)
提示:测1滴油酸酒精溶液的体积时,滴入量筒中的油酸酒精溶液的体积应为整毫升数,应多滴几滴,数出对应的毫升数。
【实验结论】
在误差允许的范围内分子直径的数量级为10-10 m。
【误差分析】
实验误差通常来自三个方面:
1.形成单分子油膜:
只有形成单分子油膜,才能用油膜的厚度代表分子的直径,即d= 。要求使用的
酒精的浓度、痱子粉的用量适宜。
2.油酸的体积V:
用累积法测油滴的体积。先测出1 mL的油酸酒精溶液的滴数,从而计算出一滴油
酸酒精溶液的体积,再由油酸酒精溶液的浓度算出纯油酸的体积。
3.油膜的面积S:
用坐标纸测出形状不规则油膜的面积。数出不规则图形的轮廓包围的方格数,计算方格数时,不足半格的舍去,多于半格的算一个,方格边长的单位越小,这种方法求出的面积越精确。
【思考?讨论】
浅盘里水离盘口的距离有什么要求,画线时视线应注意什么? (科学思维)
提示:浅盘里水离盘口的距离应小些,并要水平放置,以便准确地画出油膜的形状,画线时视线应与板面垂直。
类型一　实验操作
【典例1】(多选)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,可能是由于 (　　)
A.油酸未完全散开
B.油酸中含有大量酒精
C.求每滴体积时,1 mL溶液的滴数多数了几滴
D.求每滴体积时,1 mL溶液的滴数少数了几滴
E.计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格
实验研析·素养迁移
【解析】选A、D、E。油酸未完全散开,形成的油膜不是单分子层,计算的油膜厚度就不是分子直径,比分子直径大得多,A正确;滴入水中后酒精都溶入水中,B错误;计算体积时多数了几滴,会使计算的油滴体积偏小,当然计算的分子直径也偏小,C错误,D正确;数方格时舍去了所有不足一格的方格,计算出的油膜面积偏小,导致计算结果偏大,E正确。
类型二　数据处理
【典例2】在做用油膜法估测分子大小的实验中,油酸酒精溶液的浓度约为每
104 mL溶液中有纯油酸6 mL。用注射器测得1 mL上述溶液为75滴,把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里,待水面稳定后,将玻璃板放在浅盘上,用彩笔在玻璃板上描出油酸的轮廓,再把玻璃板放在坐标纸上,其形状和尺寸如图所示,坐标纸中正方形方格的边长为1 cm。试求:
(1)油酸膜的面积是多少?
(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积。
(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径。
【解题探究】
(1)计算方格数时,不足半格的_____,多于半格的算_____。
(2)油酸分子直径d= 。
舍去
一个
【解析】(1)根据题图中的轮廓可知,油膜面积S=106×1 cm2=106 cm2。
(2)由1 mL溶液为75滴可知1滴溶液的体积为 mL,又已知每104 mL溶液中有纯
油酸6 mL。
则1滴溶液中含纯油酸的体积为
V= × mL=8×10-6 mL=8×10-6 cm3。
(3)油酸分子的直径
d= cm≈7.5×10-8 cm=7.5×10-10 m。
答案:(1)106 cm2　(2)8×10-6 cm3
(3)7.5×10-10 m
【规律方法】计算方格格数的方法
(1)在计算方格的格数时,可以画一个最大的内接矩形。
(2)先求出矩形内的格数。
(3)再数矩形外轮廓内多于半个的格数和整格数。
类型三　实验创新
【典例3】油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL 油酸酒精溶液中有油酸0.6 mL,现用滴管向量筒内滴加50滴上述溶液,量筒中的溶液体积增加了1 mL,若把一滴这样的油酸酒精溶液滴入足够大的盛水的浅盘中,由于酒精溶于水,油酸在水面展开,稳定后形成的油膜形状如图所示。若每一小方格的边长为25 mm,试问:
(1)这种估测方法是将每个油酸分子视为　　　　　　　　模型,让油酸尽可能地在水面上展开,则形成的油膜可视为　　　　　　　　油膜,这层油膜的厚度可视为油酸分子的　　　　　　　　。图中油酸膜的面积为　　　　　m2;?
每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是　　　　　m3;?
根据上述数据,估测出油酸分子的直径是　　　　m。(结果保留2位有效数字)?
(2)某同学在实验过程中,在距水面约2 cm的位置将一滴油酸酒精溶液滴入水面形成油膜,实验时观察到,油膜的面积先扩张然后又收缩了一些,这是为什么呢?
请写出你分析的原因:　　　　　　　　　。?
【解析】(1)将每个油酸分子视为球体,油膜视为单分子油膜,厚度可视为油酸
分子直径。油膜面积约占55小格,面积约为S=55×25×25×10-6 m2≈3.4×10-2
m2,一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V= ×10-6 m3=1.2×10-11 m3,
油酸分子的直径约等于油膜的厚度,
d= m≈3.5×10-10 m。
(2)主要有两个原因:①水面受到落下的油酸酒精溶液的冲击,先陷下后又恢复水平;②油酸酒精溶液中的酒精挥发,使液面收缩。
答案:(1)球体　单分子　直径　3.4×10-2　1.2×10-11
3.5×10-10　(2)见解析
1.为了减小“用油膜法估测分子的大小”的误差,下列方法可行的是 (　　)
A.用注射器向量筒里逐滴滴入配制好的溶液至1毫升,记下滴数n,则1滴溶液含
纯油酸的体积V= mL
B.把浅盘水平放置,在浅盘里倒入一些水,使水面离盘口距离小一些
C.先在浅盘水中撒些痱子粉,再用注射器把油酸酒精溶液多滴几滴在水面上
D.用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成矩形
【解析】选B。A项在计算一滴溶液中含纯油酸体积时忘记乘以溶液的浓度,故A项说法错误;B项的做法是正确的;多滴几滴能够使测量形成油膜的油酸体积更精确些,但多滴以后会使油膜面积增大,可能使油膜这个不规则形状的一部分与浅盘的壁相接触,这样油膜就不是单分子油膜了,故C项错;D项中的做法没有必要,并且牙签上沾有油酸,会使油酸体积测量误差增大。
【补偿训练】
(多选)“用油膜法估测分子的大小”实验的科学依据是 (　　)
A.将油酸形成的膜看成单分子油膜
B.不考虑各油酸分子间的间隙
C.考虑了各油酸分子间的间隙
D.将油酸分子看成球形
【解析】选A、B、D。实验中油酸的直径是用油酸的体积除以油膜的面积来计算,所以实验的科学依据是将油膜看成单分子油膜,不考虑油酸分子间的间隙,并把油酸分子看成球形,所以A、B、D正确,C错误。
2.(1)如图所示的四个图反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的四个步骤,将它们按操作先后顺序排列应是　　　　　　　(用符号表示)。?

(2)用“油膜法”来粗略估测分子的大小,是通过一些科学的近似处理,这些处理有:　　　　　　　。?
【解析】(1)用“油膜法估测分子的大小”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→准备浅水盘→形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积→计算分子直径。很显然操作先后顺序排列应是dacb。
(2)在“用油膜法估测分子的大小”实验中,我们的实验依据是:①油膜是呈单分子分布的;②把油酸分子看成球形;③分子之间没有空隙。
答案:(1)dacb　(2)把在水面上尽可能扩散开的油膜视为单分子油膜,把形成油膜的分子看作紧密排列的球形分子
3.在“油膜法估测油酸分子的大小”实验中,有下列实验步骤:
①往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm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,待薄膜形状稳定。
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。
完成下列填空:
(1)上述步骤中,正确的顺序是　　　　　　　　。(填写步骤前面的数字)?
(2)将1 cm3的油酸溶于酒精,制成300 cm3的油酸酒精溶液;测得1 cm3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0.13 m2。由此估算出油酸分子的直径为　　　　　　　　m。(结果保留1位有效数字)?
【解析】(1)根据“油膜法估测油酸分子的大小”实验原理可知正确的步骤顺
序为④①②⑤③;
(2)d= m≈5×10-10 m。
答案:(1)④①②⑤③　 (2)5×10-10
4.用油膜法估测分子的大小。
实验器材有:浓度为0.05%(体积分数)的油酸酒精溶液、最小刻度为0.1 mL的量筒、盛有适量清水的浅盘、痱子粉、胶头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸(最小正方形边长为1 cm)。则
(1)下面给出的实验步骤中,正确排序应为　　　　　　　　(填序号),为估算油酸分子的直径,请填充最后一项实验步骤D。?
A.待油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板放在浅盘上,用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上
B.用滴管将浓度为0.05%的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下滴入1 mL油酸酒精溶液的滴数N
C.将痱子粉均匀地撒在浅盘内水面上,用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液,从低处向水面中央滴入一滴
D. ???????????????????????????????????????????????????????????
(2)利用以上测量数据,写出单个油酸分子直径的表达式为　　　　　　　。?
【解析】(1)根据实验原理可得,给出的实验步骤的正确排序为BCA,步骤D应为
将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,以坐标纸上边长为1 cm的正方形
为单位,计算轮廓内正方形的个数,算出油酸薄膜的面积S。
(2)每滴油酸酒精溶液的体积为
1滴油酸酒精溶液所含纯油酸的体积为V= ×0.05%
所以单个油酸分子的直径为d= 。
答案:(1)BCA　将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,以坐标纸上边长为
1 cm的正方形为单位,计算轮廓内正方形的个数,算出油酸薄膜的面积S
(2)d=
5.在做“用油膜法估测分子大小”的实验时,油酸酒精溶液的浓度为每
1 000 mL 溶液中有纯油酸0.1 mL,用注射器测得1 mL上述溶液有200滴,把一滴
该溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的浅盘里,待水面稳定后,测得油酸膜的近似
轮廓如图所示,图中正方形小方格的边长为1 cm,则每一滴油酸酒精溶液中含有
纯油酸的体积是　　　　　mL,油酸膜的面积是　　　　 cm2。根据上述数据,
估测出油酸分子的直径是　　　　m。?
【解析】每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为
V= mL=5×10-7 mL
油膜的面积
S=40×1 cm2=40 cm2,
分子直径d= m=1.25×10-10 m。
答案:5×10-7　40　1.25×10-10
6.测量分子大小的方法有很多,如油膜法、显微法。
(1)在“用油膜法估测分子大小”的实验中,用移液管量取0.25 mL油酸,倒入标注250 mL的容量瓶中,再加入酒精后得到250 mL的溶液。然后用滴管吸取这种溶液,向小量筒中滴入100滴溶液,溶液的液面达到量筒中1 mL的刻度,再用滴管取配好的油酸溶液,向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液,在液面上形成油酸薄膜,待油膜稳定后,放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜,如图甲所
示。坐标格的正方形大小为2 cm×2 cm。由图可以估算出油膜的面积是　　　　cm2,由此估算出油酸分子的直径是　　　　　　　　 m(保留1位有效数字)。?
(2)如图乙是用扫描隧道显微镜拍下的一个“量子围栏”的照片。这个量子围栏是由48个铁原子在铜的表面排列成直径为1.43×10-8 m的圆周而组成的。由此可以估算出铁原子的直径约为　　　　　　　　m(结果保留2位有效数字)。?
【解析】(1)数油膜所占的正方形格数,大于半格的算一格,小于半格的舍去,得
到油膜的面积S=64×2 cm×2 cm=256 cm2。溶液浓度为 ,每滴溶液体积为
mL,2滴溶液中所含油酸体积为V=2×10-5 cm3。油膜厚度即油酸分子的直径
是d= ≈8×10-10 m。
(2)直径为1.43×10-8 m的圆周周长为l=πd≈4.5×10-8 m,可以估算出铁原子的
直径约为d'= m≈9.4×10-10 m。
答案:(1)256　8×10-10　(2)9.4×10-10