2018-2019版高中物理 第一章 分子動理論 2 學(xué)生實驗：用油膜法估測油酸分子的大小學(xué)案 教科版選修3-3.doc

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2　學(xué)生實驗：用油膜法估測油酸分子的大小 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道用油膜法估測分子大小的原理，并能進行測量和計算.2.體會通過測量宏觀量估算微觀量的方法． 一、實驗原理 把一滴油酸(事先測出其體積V)滴在水面上，油酸在水面上形成油酸薄膜，將其認(rèn)為是單分子層，且把分子看成球形．油膜的厚度就是油酸分子的直徑D，測出油膜面積S，則油酸分子直徑D＝. 二、實驗器材 配制好的一定濃度的油酸酒精溶液、淺盤、痱子粉(或滑石粉)、注射器、量筒、玻璃板、細(xì)彩筆、坐標(biāo)紙、水． 三、實驗步驟 1．用注射器取出按一定比例配制好的油酸酒精溶液，緩緩?fù)苿踊钊?，使溶液一滴一滴地滴入量筒中，記下量筒?nèi)增加一定體積V1時的滴數(shù)n，算出一滴油酸酒精溶液的體積V′＝.再根據(jù)油酸酒精溶液中油酸的濃度η，算出一滴油酸酒精溶液中的純油酸體積V＝V′η. 2．在水平放置的淺盤中倒入約2cm深的水，然后將痱子粉(或滑石粉)均勻地撒在水面上，再用注射器將配制好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上． 3．待油酸薄膜形狀穩(wěn)定后，將事先準(zhǔn)備好的玻璃板平放到淺盤上，然后用細(xì)彩筆將油酸膜的形狀畫在玻璃板上． 4．將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，算出油膜的面積S(以坐標(biāo)紙上邊長為1cm的正方形為單位，計算輪廓范圍內(nèi)的正方形個數(shù)，不足半個的舍去，多于半個的算一個)． 5．根據(jù)測出的一滴油酸酒精溶液里油酸的體積V和油酸薄膜的面積S，求出油膜的厚度D，則D可看做油酸分子的直徑，即D＝. 四、數(shù)據(jù)處理 1．將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，如圖1所示，算出油酸薄膜的面積S. 圖1 2．由“步驟1”中的數(shù)據(jù)計算出每滴油酸酒精溶液體積的平均值，再由油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V，根據(jù)一滴油酸的體積V和薄膜的面積S即可算出油酸薄膜的厚度D＝，即油酸分子的大?。? 五、注意事項 1．實驗前，必須將所有的實驗用具擦洗干凈，實驗時，吸取油酸、酒精和溶液的注射器要分別專用，不能混用，否則會增大實驗誤差． 2．痱子粉(或滑石粉)和油酸的用量都不可太大，否則不易成功． 3．油酸酒精溶液的濃度以小于0.1%為宜．不宜長時間放置． 4．淺盤中的水離盤口面的距離應(yīng)較小，并要水平放置，以便準(zhǔn)確地畫出薄膜的形狀，畫線時視線應(yīng)與板面垂直． 5．在水面撒痱子粉(或滑石粉)后，不要再觸動盤中的水． 6．利用坐標(biāo)紙求油膜面積時，以邊長1cm的正方形為單位，計算輪廓內(nèi)正方形的個數(shù)，不足半格的舍去，多于半格的算一個． 六、誤差分析 用油膜法估測分子直徑，實驗誤差通常來自三個方面． (1)不能形成單分子油膜． (2)油滴的體積V的測量產(chǎn)生誤差． (3)計算油膜的面積S有誤差． [即學(xué)即用]　根據(jù)實驗“用油膜法估測油酸分子的大小”，判斷下列說法的正誤． (1)用注射器向量筒里逐滴滴入配制好的溶液至1mL，記下滴數(shù)n，則1滴溶液含純油酸的體積V＝mL.() (2)為了更精確地測出油膜的面積，應(yīng)用牙簽把水面上的油膜撥弄成矩形．() (3)若撒入水中的痱子粉太多，會使油酸未完全散開，從而使測出的分子直徑偏?。?) (4)若滴在水面的油酸酒精溶液體積為V，鋪開的油膜面積為S，則可估算出油酸分子直徑為.() (5)在玻璃板上描出的油膜輪廓如圖2所示．已知坐標(biāo)紙的小方格為邊長為1cm的正方形，則油膜的面積約為72cm2.(√) 圖2 一、實驗原理及步驟 例1　在“用油膜法估測油酸分子的大小”的實驗中，以下給出的是可能的操作步驟，把你認(rèn)為正確的步驟前的字母按合理的順序填寫在橫線上________，并補充實驗步驟D的計算式． A．將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，以坐標(biāo)紙上邊長1cm的正方形為單位，計算出輪廓內(nèi)正方形的個數(shù)n. B．將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定． C．用淺盤裝入約2cm深的水，然后將痱子粉均勻地撒在水面上． D．用測量的物理量估算出油酸分子的直徑D＝______. E．用滴管將事先配好的體積濃度為0.05%的油酸酒精溶液逐滴滴入量筒，記下滴入的溶液體積V0與滴數(shù)N. F．將玻璃板平放在淺盤上，用彩筆將薄膜的外圍形狀描畫在玻璃板上． 答案　ECBFAD　 解析　根據(jù)實驗步驟可知合理的順序為ECBFAD. 一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為0.05%，S＝n10－4m2 所以分子的直徑D＝0.05%＝. 例2　(多選)油膜法粗略測定分子直徑的實驗基礎(chǔ)是(　　) A．把油酸分子視為球形，其直徑即為油膜的厚度 B．讓油酸在水面上充分散開，形成單分子油膜 C．油酸分子的直徑等于滴到水面上的油酸酒精溶液的體積除以油膜的面積 D．油酸分子直徑的數(shù)量級是10－15m 答案　AB 解析　油酸在水面上形成單分子油膜，將油酸分子視為球形，其分子直徑即為膜的厚度，它等于滴在水面上的純油酸的體積除以油膜的面積，而酒精溶于水或揮發(fā)掉，故A、B對，C錯，油酸分子直徑的數(shù)量級為10－10m，故D錯． 二、實驗原理及數(shù)據(jù)處理 例3　在做“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，104mL油酸酒精溶液中有純油酸6mL.用注射器測得1mL上述溶液中有50滴．把1滴該溶液滴入撒有痱子粉的盛水的淺盤里，待油膜形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描出油膜的輪廓，然后把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀如圖3所示，坐標(biāo)紙中正方形小方格的邊長為20mm. 圖3 (1)油膜的面積是多少？ (2)每一滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是多少？ (3)根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估算出油酸分子的直徑． 答案　(1)2.3210－2m2　(2)1.210－11m3(3)5.210－10m 解析　(1)數(shù)出在油膜輪廓范圍內(nèi)的格子數(shù)(面積大于半個方格的算一個，不足半個方格的舍去不算)為58個，油膜面積約為S＝58(0.02)2m2＝2.3210－2m2. (2)因為50滴油酸酒精溶液的體積為1mL，且能求出溶液中含純油酸的濃度為η＝＝610－4，故每滴油酸酒精溶液中含純油酸的體積為V0＝η＝610－4mL＝1.210－11m3. (3)把油膜的厚度視為油酸分子的直徑，可估算出油酸分子的直徑為D＝＝m≈5.210－10m. 1．純油酸體積V的計算 若油酸酒精溶液的濃度為η，n滴該溶液的體積為V1，則一滴該溶液中的油酸體積V＝η. 2．油膜面積S的計算 用數(shù)格子法(不足半個的舍去，多于半個的算一個)求出油膜面積． 1．(實驗原理)利用油膜法估測油酸分子的直徑，需要測量的物理量是(　　) A．一滴油酸酒精溶液中純油酸的質(zhì)量和它的密度 B．一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積和它的密度 C．一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積和它散成油膜的面積 D．所形成油膜的厚度和它的密度 答案　C 解析　用油膜法估測油酸分子直徑時，所用的計算公式是D＝，式中V、S分別表示一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積和它散成單分子油膜的面積． 2．(實驗誤差分析)為了減小“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗的誤差，下列方法可行的是(　　) A．用注射器取1mL配制好的油酸酒精溶液，共可滴N滴，則每滴中含有油酸mL B．把淺盤水平放置，在淺盤里倒入約2cm深的水 C．先在淺盤中撒些痱子粉，再用注射器在水面上多滴幾滴油酸酒精溶液 D．用牙簽把水面上的油膜盡量撥弄成矩形 答案　B 解析　mL是一滴油酸酒精溶液的體積，乘以其中油酸的濃度才是純油酸的體積，A項錯；B項的做法是正確的；多滴幾滴能夠使測量形成油膜的油酸體積更精確些，但多滴以后會使油膜面積增大，可能使油膜這個不規(guī)則形狀的一部分與淺盤的壁相接觸，這樣就不是單分子油膜了，故C項錯；D項中的做法沒有必要，并且牙簽上沾有油酸，會使油酸體積測量誤差增大． 3．(實驗數(shù)據(jù)處理)在“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，用注射器將一滴油酸酒精溶液滴入撒有痱子粉的盛水的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描出油膜的輪廓，隨后把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀如圖4所示，坐標(biāo)紙上正方形小方格的邊長為10mm，該油酸膜的面積是________m2；若一滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是410－6mL，則油酸分子的直徑是________m．(上述結(jié)果均保留一位有效數(shù)字) 圖4 答案　810－3　510－10 解析　由于小方格的個數(shù)為80個，故油酸膜的面積是 S＝8010010－6m2＝810－3m2； D＝＝m＝510－10m. 4．(實驗數(shù)據(jù)處理)將1mL的純油酸配成500mL的油酸酒精溶液，待油酸均勻溶解后，用滴管取1mL油酸酒精溶液，讓其自然滴出，共200滴，則每滴油酸酒精溶液的體積為________mL.現(xiàn)在將一滴油酸酒精溶液滴到撒有痱子粉的盛水的淺盤內(nèi)，待油膜充分展開后，測得油膜的面積為200cm2，則估算油酸分子的直徑是________m(保留一位有效數(shù)字)． 答案　0.005　510－10 解析　1mL的純油酸配成500mL的油酸酒精溶液，溶液的體積百分比濃度是，一滴溶液的體積是V＝mL＝0.005mL，一滴溶液所含油酸的體積V0＝0.005mL＝10－11m3，所以油酸分子的直徑D＝＝m＝510－10m. 一、選擇題 1．(多選)用油膜法估測油酸分子的大小時，采用的理想化條件是(　　) A．把在水面上盡可能充分散開的油膜視為單分子油膜 B．把形成單分子油膜的分子看作緊密排列的球形分子 C．把油膜視為單分子油膜，但需考慮分子間隙 D．將單分子視為立方體模型 答案　AB 解析　由用油膜法估測油酸分子的大小的實驗可知，將含有純油酸體積為V的油酸酒精溶液滴在水面上，形成面積為S的油膜，由此可以估算出油酸分子的直徑為D＝，這顯然是將油膜視為單分子層，將油酸分子視為球形且認(rèn)為分子是緊密排列的，故選A、B. 2．用油膜法估測油酸分子的大小的實驗中，下列操作正確的是(　　) A．將純油酸直接滴在水面上 B．向量筒中滴100滴調(diào)制好的油酸酒精溶液，讀出其體積 C．用試管向水面倒油酸酒精溶液少許 D．計算油膜面積時，凡是占到方格的一部分的都計入方格的總數(shù) 答案　B 解析　油酸應(yīng)先稀釋成油酸酒精溶液，然后取一滴溶液滴在淺盤里，目的是形成單分子油膜，故A、C錯誤，B正確；計算油膜面積時應(yīng)把占到方格一半以上的作為一個，少于半個的舍去，故D錯誤． 3．用油膜法估測油酸分子的大小的實驗中，下列操作錯誤的有(　　) A．油酸酒精溶液的濃度以小于為宜 B．注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在1m以上 C．從盤的中央加痱子粉，待痱子粉均勻分布后加入油酸酒精溶液 D．用數(shù)格子法計算油膜面積時，不足半個的舍去，多于半個的算一個 答案　B 解析　注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在1cm之內(nèi)，B項錯誤． 4．用油膜法估測油酸分子的大小的實驗中，體積為V的油酸，在水面上形成近似圓形的單分子油膜，油膜直徑為D，則油酸分子直徑大小約為(　　) A.　　　　　　　　 B. C. D. 答案　A 解析　油膜的面積為S＝πD2，所以油酸分子直徑為D′＝＝，故選A. 5．把體積為V1(mL)的油酸倒入適量的酒精中，稀釋成體積為V2(mL)的油酸酒精溶液，測出1mL油酸酒精溶液共有N滴；取一滴溶液滴入撒有痱子粉的水中，最終在水中形成面積為S(cm2)的單分子層油膜，則該油酸分子的直徑大約為(　　) A.m B.m C.cm D.cm 答案　D 解析　一滴溶液中純油酸的體積V＝，由D＝得D＝(單位為cm)． 6．某同學(xué)在“用油膜法估測油酸分子的大小”的實驗中，計算結(jié)果明顯偏大，可能是由于(　　) A．油酸未完全散開 B．油酸中含有大量的酒精 C．計算油膜面積時不足1格的全部按1格計算 D．求每滴溶液的體積時，1mL的溶液的滴數(shù)多記了10滴 答案　A 解析　油酸分子直徑D＝.計算結(jié)果明顯偏大，可能是V取大了或S取小了．油酸未完全散開，所測S偏小，D偏大，A正確；油酸中含有大量的酒精，不影響結(jié)果，B錯誤；若計算油膜面積時不足1格的全部按1格計算，會使S變大，D變小，C錯誤；若求每滴溶液的體積時，1mL的溶液的滴數(shù)多記了10滴，會使V變小，D變小，D錯誤． 二、非選擇題 7．在“用油膜法估測油酸分子的大小”的實驗中， (1)某同學(xué)操作步驟如下： ①取一定量的無水酒精和油酸，配制成一定濃度的油酸酒精溶液； ②在量筒中滴入一滴該溶液，測出它的體積； ③在淺盤內(nèi)盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散開穩(wěn)定； ④在淺盤上覆蓋透明玻璃，描出油膜形狀，用透明方格紙估測油膜的面積． 改正其中的錯誤：______________________________________________________________. (2)若油酸酒精溶液體積濃度為0.1%，一滴溶液的體積為4.810－4mL，其形成的油膜面積為40cm2，則估測出油酸分子的直徑為________m. 答案　(1)②應(yīng)在量筒中滴入N滴溶液，計算得出一滴溶液的體積?、蹜?yīng)在水面上先撒上痱子粉 (2)1.210－10 解析　(1)②在量筒中直接測量一滴油酸酒精溶液體積誤差太大，應(yīng)先用累積法測出N滴溶液體積，再算出一滴溶液的體積．③油酸在水面上形成的油膜形狀不易觀察，可在水面上撒上痱子粉，再滴油酸酒精溶液，穩(wěn)定后就呈現(xiàn)出清晰輪廓． (2)一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V＝4.810－40.1%mL， D＝＝m＝1.210－10m. 8．“用油膜法估測油酸分子的大小”的實驗方法及步驟如下： ①向體積V油＝1mL的純油酸中加酒精，直至總量達到V總＝500mL； ②用注射器吸取①中配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，當(dāng)?shù)稳雗＝100滴時，測得其體積恰好是V0＝1mL； ③先往邊長為30～40cm的淺盤里倒入2cm深的水，然后將痱子粉(或滑石粉)均勻地撒在水面上； ④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形狀穩(wěn)定后，將事先準(zhǔn)備好的玻璃板平放在淺盤上，并在玻璃板上描下油酸膜的形狀； ⑤將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，如圖1所示，數(shù)出輪廓范圍內(nèi)小方格的個數(shù)N，小方格的邊長l＝20mm. 圖1 根據(jù)以上信息，回答下列問題(有數(shù)值計算的問題，先用信息中字母寫出表達式再代入數(shù)值并統(tǒng)一單位算出結(jié)果) (1)1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V′是多少？ (2)油酸分子直徑是多少？ 答案　(1)210－5mL　(2)4.310－10m 解析　(1)1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積 V′＝＝mL＝210－5mL. (2)根據(jù)大于半個方格的算一個，小于半個方格的舍去，油膜形狀占據(jù)的方格數(shù)大約為115個， 故面積S＝1152020mm2＝4.6104mm2 油酸分子直徑 D＝＝mm≈4.310－7mm＝4.310－10m.