人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：1 2 實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第2節(jié)實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道得到單分子油膜的方法。2.掌握實(shí)驗(yàn)原理以及數(shù)據(jù)處理的思路和方法。3.體會(huì)建立模型和估測(cè)方法在研究物理問(wèn)題中的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.估測(cè)油酸分子的大小。2.學(xué)會(huì)間接測(cè)量微觀量的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)思路1.利用油酸酒精溶液在平靜的水面上形成單分子油膜，如圖所示。2.將油酸分子視為球形，測(cè)出一定體積油酸溶液在水面上形成的油膜面積。3.用d＝eq\f(V,S)計(jì)算出油膜的厚度(V為一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積，S為油膜面積)，這個(gè)厚度就近似等于油酸分子的直徑。三、實(shí)驗(yàn)器材清水、盛水淺盤、滴管(或注射器)、試劑瓶、坐標(biāo)紙、玻璃板、痱子粉(或細(xì)石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩筆。謹(jǐn)記部分器材用途盛水淺盤提供平靜的水面坐標(biāo)紙、玻璃板描繪單分子油膜的形狀痱子粉撒在水面上使油膜邊界清晰油酸酒精溶液獲得單分子油膜四、物理量的測(cè)量1.取1mL油酸溶于酒精中，制成200mL油酸酒精溶液。2.往邊長(zhǎng)約為30～40cm的淺盤中倒入約2cm深的水，然后將痱子粉(或細(xì)石膏粉)均勻地撒在水面上。3.用滴管(或注射器)向量筒中滴入n滴配制好的油酸酒精溶液，使這些溶液的體積恰好為1mL，算出每滴油酸酒精溶液的體積V0＝eq\f(1,n)mL。4.用滴管(或注射器)向水面上滴入一滴配制好的油酸酒精溶液，油酸立即在水面散開(kāi)，形成單分子油膜。5.待油酸薄膜形狀穩(wěn)定后，將準(zhǔn)備好的玻璃板蓋在淺盤上，用彩筆將油酸薄膜的形狀畫在玻璃板上。6.將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，算出油酸薄膜的面積。方法是計(jì)算輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù)，不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè)，把正方形的個(gè)數(shù)乘以單個(gè)正方形的面積就是油膜的面積S。7.據(jù)油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V，利用一滴溶液中純油酸的體積V和薄膜的面積S，算出油酸薄膜的厚度d＝eq\f(V,S)，即為油酸分子的直徑。算出的分子直徑，看其數(shù)量級(jí)(單位為m)是否為10－10，若不是10－10需重做實(shí)驗(yàn)。五、數(shù)據(jù)分析計(jì)算方法：(1)一滴油酸溶液的平均體積eq\o(V,\s\up6(－))eq\o(V,\s\up6(－))＝eq\f(N滴油酸溶液的體積,N)。(2)一滴油酸溶液中含純油酸的體積VV＝eq\o(V,\s\up6(－))×油酸溶液的體積比eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(體積比＝\f(純油酸體積,溶液的體積)))。(3)油膜的面積S＝n×1cm2(n為有效格數(shù)，小方格的邊長(zhǎng)為1cm)。(4)分子直徑d＝eq\f(V,S)(代入數(shù)據(jù)時(shí)注意單位的統(tǒng)一)。六、注意事項(xiàng)1.油酸酒精溶液配制好后，不要長(zhǎng)時(shí)間放置，以免濃度改變，產(chǎn)生誤差。2.待測(cè)油酸液面擴(kuò)散后又收縮，要在穩(wěn)定后再畫輪廓。擴(kuò)散后又收縮有兩個(gè)原因：第一，水面受油酸液滴沖擊凹陷后又恢復(fù)；第二，酒精揮發(fā)后液面收縮。3.當(dāng)重做實(shí)驗(yàn)時(shí)，水從盤的一側(cè)邊緣倒出，在這側(cè)邊緣會(huì)殘留油酸，可用少量酒精清洗，并用脫脂棉擦拭，再用清水沖洗，這樣做可保持盤的清潔。4.從盤的中央加痱子粉，粉自動(dòng)擴(kuò)散至均勻，這樣做比將粉撒在水面上的效果好。探究1實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作〖例1〗(2021·常熟市中學(xué)高二月考)(1)“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)要步驟如下：A.將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù)(不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè))，再根據(jù)方格的邊長(zhǎng)求出油膜的面積S。B.將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，立即將玻璃板放在淺盤上，用彩筆將油膜的形狀描畫在玻璃板上。C.用淺盤裝入約2cm深的水。D.用公式d＝eq\f(V,S)，求出油膜厚度，即油酸分子直徑的大小。E.用注射器將事先配置好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，記下一定體積的總液滴。根據(jù)油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V。(1)上述步驟中有哪兩個(gè)步驟有遺漏或不完整的，請(qǐng)指出并改正：a.___________________________________________________________________。b.___________________________________________________________________。(2)上述實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是__________________。(3)在“用油膜法估測(cè)分子大小”的實(shí)驗(yàn)中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入標(biāo)注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液。然后用滴管吸取這種溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面達(dá)到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸溶液，向撒有痱子粉的盛水淺盤中滴下2滴溶液在液面上形成油酸薄膜，待油膜穩(wěn)定后，放在帶有正方形坐標(biāo)格的玻璃板下觀察油膜，如圖所示。坐標(biāo)格的正方形大小為2cm×2cm。由圖可以估算出油膜的面積是________cm2，由此估算出油酸分子的直徑是________m(保留1位有效數(shù)字)。(4)某同學(xué)實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果和大多數(shù)同學(xué)的比較，數(shù)據(jù)偏大，對(duì)出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，下列說(shuō)法中可能正確的是________。A.錯(cuò)誤地將油酸酒精溶液的體積直接作為油酸的體積進(jìn)行計(jì)算B.計(jì)算油膜面積時(shí)，錯(cuò)將不完整的方格作為完整方格處理C.計(jì)算油膜面積時(shí)，只數(shù)了完整的方格數(shù)D.水面上痱子粉撒得較多，油膜沒(méi)有充分展開(kāi)〖答案〗(1)a.B步驟中，立即改成待油酸薄膜穩(wěn)定后b.C步驟中，要在水面上均勻撒上痱子粉或細(xì)石膏粉(2)ECBAD(3)2528×10－10(4)ACD〖解析〗(1)B步驟中，立即改成待油酸薄膜穩(wěn)定后。C步驟中，要在水面上均勻撒上痱子粉或細(xì)石膏粉。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)先配制油酸酒精溶液，得到一滴油酸酒精溶液中含油酸的體積，然后在淺盤中放入水，水面上撒上痱子粉，將一滴油酸酒精溶液滴入，測(cè)量油酸在水面上散開(kāi)的面積，最后進(jìn)行計(jì)算，則上述實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是ECBAD。(3)由圖可以估算出油膜的面積是S＝63×2cm×2cm＝252cm22滴油酸酒精溶液中含油酸的體積V＝2×eq\f(0.25,250×100)mL＝eq\f(1,50000)mL＝2×10－11m3由此估算出油酸分子的直徑是d＝eq\f(V,S)＝eq\f(2×10－11,252×10－4)m＝8×10－10m。(4)根據(jù)d＝eq\f(V,S)可知：錯(cuò)誤地將油酸酒精溶液的體積直接作為油酸的體積進(jìn)行計(jì)算，則測(cè)量值偏大，選項(xiàng)A正確；計(jì)算油膜面積時(shí)，錯(cuò)將不完整的方格作為完整方格處理，則面積的測(cè)量值偏大，則直徑的測(cè)量值偏小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；計(jì)算油膜面積時(shí)，只數(shù)了完整的方格數(shù)，則面積測(cè)量值偏小，則直徑測(cè)量值偏大，選項(xiàng)C正確；水面上痱子粉撒得較多，油膜沒(méi)有充分展開(kāi)，則面積的測(cè)量值偏小，則直徑測(cè)量值偏大，選項(xiàng)D正確。〖針對(duì)訓(xùn)練1〗在“油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中：(1)與實(shí)驗(yàn)中“將油酸分子看成是球形的”采用的方法相同的是________。A.引入質(zhì)點(diǎn)的概念B.平均速度的定義C.引入重心的概念D.研究加速度與力或質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)(2)有下列實(shí)驗(yàn)步驟：①往邊長(zhǎng)約為40cm的淺盤里倒入約2cm深的水。待水面穩(wěn)定后將適量的痱子粉均勻地撒在水面上。②用注射器將事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待薄膜形狀穩(wěn)定。③將畫有油膜形狀的玻璃板平放在坐標(biāo)紙上，計(jì)算出油膜的面積，根據(jù)油酸的體積和面積計(jì)算出油酸分子直徑的大小。④用注射器將事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，記下量筒內(nèi)每增加一定體積時(shí)的滴數(shù)，由此計(jì)算出一滴油酸酒精溶液的體積。⑤將玻璃板放在淺盤上，然后將油膜的形狀用彩筆描繪在玻璃板上。上述步驟中，正確的順序是________(填寫步驟前面的數(shù)字)?！即鸢浮?1)A(2)④①②⑤③〖解析〗(1)將油酸分子看成球形，屬于理想化模型，而引入質(zhì)點(diǎn)的概念采用的方法也是理想化模型，平均速度是采用比值定義法，重心是等效法，研究加速度與力或質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)采用的是控制變量法。故選A。(2)本實(shí)驗(yàn)步驟為：配制油酸酒精溶液→測(cè)定一滴油酸酒精溶液的體積(題圖中的④)→準(zhǔn)備淺水盆(①)→形成油膜(②)→描繪油膜邊緣，測(cè)量油膜面積(⑤)→計(jì)算分子直徑(③)。故實(shí)驗(yàn)步驟為：④①②⑤③。探究2數(shù)據(jù)處理〖例2〗(2021·江蘇鎮(zhèn)江一中高二月考)在做用“油膜法估測(cè)分子大小”的實(shí)驗(yàn)中，油酸酒精溶液的濃度約為每104mL溶液中有純油酸6mL。用注射器測(cè)得1mL上述溶液為75滴，把1滴該溶液滴入盛水的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆在玻璃板上描出油酸的輪廓，再把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀和尺寸如圖所示，坐標(biāo)紙中正方形方格的邊長(zhǎng)為1cm。試求：(1)油膜的面積________；(2)每滴酒精油酸溶液中含有純油酸的體積________；(3)按以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估測(cè)出油酸分子的直徑________；(4)某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在距水面約2cm的位置將一滴油酸酒精溶液滴入水面形成油膜，實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到，油膜的面積會(huì)先擴(kuò)張后又收縮了一些，這是為什么呢？請(qǐng)寫出你分析的原因：______________________________________________?！即鸢浮?1)106cm2(2)8×10－6cm3(3)7.5×10－10m(4)見(jiàn)〖解析〗〖解析〗(1)根據(jù)圖中的輪廓可知，油膜面積為S＝106×1cm2＝106cm2。(2)由1mL溶液為75滴，可知1滴溶液的體積為eq\f(1,75)mL，又已知每104mL溶液中有純油酸6mL，則1滴溶液中含純油酸的體積為V＝eq\f(1,75)×eq\f(6,104)mL＝8×10－6cm3。(3)油酸分子直徑為d＝eq\f(V,S)＝eq\f(8×10－6,106)cm＝7.5×10－8cm＝7.5×10－10m。(4)主要有兩個(gè)原因：①水面受到落下油滴的沖擊，先陷下后又恢復(fù)水平，因此油膜的面積先擴(kuò)張后又收縮；②油酸酒精溶液中的酒精將溶于水并很快揮發(fā)，使液面收縮?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗(2021·江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué)高二月考)油酸酒精溶液的濃度為每1000mL油酸酒精溶液中有油酸0.6mL，現(xiàn)用滴管向量筒內(nèi)滴加50滴上述溶液，量筒中的溶液體積增加了1mL，若把一滴這樣的油酸酒精溶液滴入足夠大盛水的淺盤中，由于酒精溶于水，油酸在水面展開(kāi)，穩(wěn)定后形成的油膜的形狀如圖所示。若每一小方格的邊長(zhǎng)為25mm，試問(wèn)：(1)這種估測(cè)方法是將每個(gè)油酸分子視為_(kāi)_______模型，讓油酸盡可能地在水面上散開(kāi)，則形成的油膜可視為_(kāi)_______油膜，這層油膜的厚度可視為油酸分子的________。圖中油膜的面積為_(kāi)_______m2；每一滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是________m3；根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估測(cè)出油酸分子的直徑是________m(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。(2)為了盡可能準(zhǔn)確地估測(cè)出油酸分子的大小，下列哪些措施是可行的________。A.油酸濃度適當(dāng)大一些B.油酸濃度適當(dāng)小一些C.油酸擴(kuò)散后立即繪出輪廓圖D.油酸擴(kuò)散并待其收縮穩(wěn)定后再繪出輪廓圖〖答案〗(1)球形單分子直徑8.3×10－21.2×10－111.4×10－10(2)BD〖解析〗(1)這種估測(cè)方法是將每個(gè)分子視為球形。讓油酸盡可能地在水面上散開(kāi)，則形成的油膜可視為單分子油膜。這層油膜的厚度可視為油酸分子的直徑。油膜面積約占132小格，面積約為S＝132×25×25×10－6m2＝8.3×10－2m2。一滴油酸酒精溶液含有純油酸的體積為V＝eq\f(1,50)×eq\f(0.6,1000)×10－6m3＝1.2×10－11m3油酸分子的直徑約等于油膜的厚度d＝eq\f(V,S)＝1.4×10－10m。(2)為能形成單分子油膜，油酸濃度應(yīng)適當(dāng)小些；繪制輪廓圖應(yīng)在油酸擴(kuò)散穩(wěn)定后進(jìn)行，故B、D正確，A、C錯(cuò)誤。1.(多選)在“用油膜法估測(cè)分子的大小”的實(shí)驗(yàn)中，下列做法正確的是()A.用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的體積是1mL，則1滴溶液中含有油酸10－2mLB.往淺盤里倒入適量的水，再將痱子粉或細(xì)石膏粉均勻地撒在水面上C.用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，同時(shí)將玻璃板放在淺盤上，并立即在玻璃板上描下油膜的形狀D.根據(jù)1滴油酸酒精溶液中油酸的體積V和油膜面積S就可以算出油膜厚度d＝eq\f(V,S)，即油酸分子的大小〖答案〗BD〖解析〗用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的體積是1mL，則1滴油酸酒精溶液的體積是10－2mL，含有油酸的體積小于10－2mL，故A錯(cuò)誤；往淺盤里倒入適量的水，再將痱子粉或細(xì)石膏粉均勻地撒在水面上，故B正確；用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，同時(shí)將玻璃板放在淺盤上，待油酸在液面上分布均勻并穩(wěn)定后，在玻璃板上描下油酸膜的形狀，故C錯(cuò)誤；根據(jù)1滴油酸酒精溶液中油酸的體積V和油膜面積S就可以算出油膜厚度d＝eq\f(V,S)，即油酸分子的大小，故D正確。2.(1)如圖所示的四幅圖反映“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)步驟，將它們按正確操作順序排列應(yīng)是________(用符號(hào)表示)。(2)用“油膜法”來(lái)粗略估測(cè)分子的大小，利用了一些科學(xué)的近似處理，這些處理有：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________?！即鸢浮?1)dacb(2)把在水面上盡可能擴(kuò)散開(kāi)的油膜視為單分子油膜，把形成油膜的分子看成緊密排列的球形分子，認(rèn)為油酸分子是一個(gè)挨一個(gè)排列的〖解析〗(1)“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)步驟為：配制油酸酒精溶液→測(cè)定一滴油酸酒精溶液的體積→準(zhǔn)備淺水盤→形成油膜→描繪油膜邊緣→測(cè)量油膜面積→計(jì)算分子直徑。易知正確操作順序排列應(yīng)是d、a、c、b。(2)在“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)中，利用的近似處理有：把在水面上盡可能擴(kuò)散開(kāi)的油膜視為單分子油膜，把形成油膜的分子看成緊密排列的球形分子，認(rèn)為油酸分子是一個(gè)挨一個(gè)排列的。3.在做“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要步驟如下：A.用注射器或滴管將事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，記下量筒內(nèi)增加一定體積時(shí)的滴數(shù)。B.根據(jù)油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V。C.將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆將薄膜的形狀描畫在玻璃板上。D.將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù)(不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè))，再根據(jù)方格的邊長(zhǎng)求出油膜的面積S。E.用公式d＝eq\f(V,S)求出薄膜的厚度，即油酸分子的大小。F.用淺盤裝入約2cm深的水，然后將痱子粉或細(xì)石膏粉均勻地撒在水面上。上述實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是________。〖答案〗ABFCDE4.(2021·江蘇鎮(zhèn)江一中高二月考)某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室做“用油膜法估測(cè)分子直徑大小”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的方法及步驟如下：①向