高考物理一轮复习实验十二用油膜法估测分子的大小教学案

高考物理一轮复习实验十二用油膜法估测分子的大小教学案

实验十二 用油膜法估测分子的大小 ‎1.学会用油膜法估测油酸分子的大小.‎ ‎2.理解间接测量微观量的原理和方法．‎ ‎ ‎ 一、基本实验要求 ‎1．实验器材 盛水浅盘、注射器(或滴管)、容量瓶、坐标纸、玻璃板、痱子粉(或细石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩笔．‎ ‎2．实验步骤 ‎(1)用稀酒精溶液及清水清洗浅盘，充分洗去油污、粉尘，以免给实验带来误差．‎ ‎(2)配制油酸酒精溶液，取油酸1mL，注入500mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500mL刻度线为止，摇动容量瓶，使油酸充分溶解在酒精中，这样就得到了500mL含1mL纯油酸的油酸酒精溶液．‎ ‎(3)用注射器(或滴管)将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积Vn时的滴数n.‎ ‎(4)根据V0＝算出每滴油酸酒精溶液的体积V0.‎ ‎(5)向浅盘里倒入约‎2cm深的水，并将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上．‎ ‎(6)用注射器(或滴管)将一滴油酸酒精溶液滴在水面上．‎ ‎(7)待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，并将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上．‎ ‎(8)将画有油酸薄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‎1cm的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个)．‎ ‎(9)根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d.‎ ‎(10)重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即为油酸分子的大小．‎ 二、规律方法总结 ‎1．实验原理 实验采用使油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法估测分子的大小．当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水，并很快挥发，在水面上形成如实验原理图甲所示形状的一层纯油酸薄膜．如果算出一定体积的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积，即可算出油酸分子的大小．用V表示一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积，用S表示单分子油膜的面积，用d表示分子的直径，如实验原理图乙所示，则d＝.‎ ‎2．数据处理 根据上面记录的数据，完成以下表格内容.‎ 实验次数 量筒内增加1mL溶液时的滴数 轮廓内的小格子数 轮廓面积S ‎1‎ ‎2‎ 实验次数 一滴纯油酸的体积V 分子的大小(m)‎ 平均值 ‎1‎ ‎2‎ ‎3.注意事项 ‎(1)注射器针头高出水面的高度应在‎1cm之内，当针头靠水面很近(油酸未滴下之前)时，会发现针头下方的粉层已被排开，这是由于针头中酒精挥发所致，不影响实验效果．‎ ‎(2)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画轮廓．扩散后又收缩有两个原因：①水面受油酸液滴冲击凹陷后又恢复；②酒精挥发后液面收缩．‎ ‎(3)当重做实验时，将水从浅盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去再用清水冲洗，这样做可保持浅盘的清洁．‎ ‎(4)本实验只要求估测分子的大小，实验结果的数量级符合要求即可.‎ 高频考点一　实验原理与操作 例1．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，‎ ‎(1)该实验中的理想化假设是(　　)‎ A．将油膜看成单分子层油膜 B．不考虑各油酸分子间的间隙 C．不考虑各油酸分子间的相互作用力 D．将油酸分子看成球形 ‎(2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液的作用是(　　)‎ A．可使油酸和痱子粉之间形成清晰的边界轮廓 B．对油酸溶液起到稀释作用 C．有助于测量一滴油酸的体积 D．有助于油酸的颜色更透明便于识别 ‎(3)某老师为本实验配制油酸酒精溶液，实验室配备的器材有：面积为‎0.22 m2‎的蒸发皿、滴管、量筒(50滴溶液滴入量筒体积约为1毫升)、纯油酸和无水酒精若干．已知分子直径数量级为10－‎10 m，则该老师配制的油酸酒精溶液浓度(油酸与油酸酒精溶液的体积比)至多为________‰(保留两位有效数字)．‎ 答案　(1)ABD　(2)B　(3)1.1‎ ‎【变式探究】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。(结果保留一位有效数字)‎ 解析：　(1)依据实验顺序，先配制混合溶液(④)，然后在浅盘中放水和痱子粉(①‎ ‎)，将一滴溶液滴入浅盘中(②)，将玻璃板放在浅盘上获取油膜形状(⑤)，最后用已知边长的坐标纸上的油膜形状来计算油膜的总面积(③)。故正确的操作顺序为④①②⑤③。‎ ‎(2)一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为V＝×＝6.7×10－‎5 cm3，故油酸分子直径d＝＝＝≈5×10－‎10 m。‎ 答案：　(1)④①②⑤③　(2)5×10－10‎ 高频考点二　实验数据处理 例2．油酸酒精溶液的浓度为每10 000 mL油酸酒精溶液中有油酸6 mL，用滴管向量筒内滴75滴上述溶液，量筒中的溶液体积增加1 mL.若把一滴这样的溶液滴入盛水的浅盘中，由于酒精溶于水，油酸在水面展开，稳定后形成的单分子油膜的形状如图1所示．‎ ‎(1)若每一小方格的边长为‎10 mm，则油酸薄膜的面积为________m2；‎ 图1‎ ‎(2)每一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为________m3；‎ ‎(3)根据上述数据，估算出油酸分子的直径为________m(保留一位有效数字)．‎ 答案　(1)1.15×10－2　(2)8×10－12　(3)7×10－10‎ ‎【变式探究】在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，具体操作如下：‎ ‎①取油酸0.1 mL注入250 mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到250 mL的刻度为止，摇动瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸酒精溶液；‎ ‎②用滴管吸取制得的溶液逐滴滴入量筒，记录滴入的滴数直到量筒达到1.0 mL为止，恰好共滴了100滴；‎ ‎③在边长约‎40 cm的浅盘内注入约‎2 cm 深的水，将细石膏粉均匀地撒在水面上，再用滴管吸取油酸酒精溶液，轻轻地向水面滴一滴溶液，酒精挥发后，油酸在水面上尽可能地散开，形成一层油膜，膜上没有石膏粉，可以清楚地看出油膜轮廓；‎ ‎④待油膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上绘出油膜的形状；‎ ‎⑤将画有油膜形状的玻璃板放在边长为‎1.0 cm的方格纸上，算出完整的方格有67个，大于半格的有14个，小于半格的有19个．‎ ‎(1)这层油膜的厚度可视为油酸分子的________．‎ ‎(2)利用上述具体操作中的有关数据可知一滴油酸酒精溶液含纯油酸为________m3，求得的油膜分子直径为________m．(结果全部保留2位有效数字)‎ 答案　(1)直径　(2)4.0×10－12　4.9×10－10‎ 解析　(1)油膜的厚度可视为油酸分子的直径．‎ ‎(2)一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为 V＝× mL＝4.0×10－6 mL＝4.0×10－‎‎12 m3‎ 形成油膜的面积S＝1.0×(67＋14) cm2＝8.1×10－‎‎3 m2‎ 油酸分子的直径d＝≈4.9×10－‎10 m.‎ ‎【举一反三】在“用单分子油膜估测分子大小”的实验中，‎ ‎(1)(多选)某同学计算出的结果明显偏大，可能是由于(　　)‎ A．油酸未完全散开 B．油酸中含有大量酒精 C．计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格 D．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 ‎(2)在做实验时，油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸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，测得油膜的近似轮廓如图2所示．图中正方形小方格的边长为‎1 cm，根据上述数据，估测出油酸分子的直径是________nm.‎ 图2‎ 答案　(1)AC　(2)0.4‎ ‎(2)一滴该溶液含纯油酸的体积为：V＝ mL＝5×10－6 mL＝5×10－‎12 m3‎；可计算出油膜的面积约为：125×‎1 cm2＝1.25×10－‎2 m2‎，故油酸分子的直径为：d＝＝ m＝4×10－‎10 m＝0.4 nm.‎ ‎1．(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 ‎2．在“用油膜法估测分子大小”的实验中，已知实验室中使用的油酸酒精溶液的浓度为A，N滴溶液的总体积为V。在浅盘中的水面上均匀撒上痱子粉，将一滴溶液滴在水面上，待油膜稳定后，在带有边长为a的正方形小格的玻璃板上描出油膜的轮廓，如图实121所示，测得油膜占有的正方形小格数为X。‎ 图实121‎ ‎(1)用以上字母表示一滴油酸酒精溶液中的纯油酸的体积为________。‎ ‎(2)油酸分子直径约为________。‎ 解析：(1)由题意可知，一滴油酸酒精溶液中的纯油酸的体积为V0＝。‎ ‎(2)一滴所形成的油膜的面积为S＝Xa2，所以油膜的厚度，即为油酸分子的直径为d＝＝。‎ 答案：(1)　(2) ‎3．(多选)某学生在“用油膜法估测分子大小”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．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格 D．求每滴溶液体积时，1 mL的溶液的滴数误多计了10滴 解析：选AC　用油膜法估测分子直径，是利用油酸的体积与形成的单分子油膜面积的比值来估算分子直径的，分子直径值明显偏大可能的原因有：一是油酸体积测量值偏大；二是油膜面积测量值偏小，油酸未完全散开和舍去不足一格的方格均会造成油膜面积测量值偏小的结果，故A、C正确；油酸中酒精更易溶于水，故不会产生影响，B错误；而D项计算每滴溶液中所含油酸的体积偏小，会使分子直径估算值偏小，D错误。‎ ‎4．在用油膜法测量分子直径的实验中 ‎(1)体积为‎10 cm3的油滴，滴在水面上展开形成单分子油膜，则油膜面积的数量级为________。‎ A．‎109 cm2　　　　　　　　 B．‎106 cm2‎ C．‎104 cm2 D．‎102 cm2‎ ‎(2)将酒精加入‎1 cm3的油酸中制成‎200 cm3的油酸酒精溶液。已知‎1 cm3溶液有50滴，现取1滴油酸酒精溶液滴在水面上，随着酒精蒸发，油酸在水面上形成单分子油膜，已测得油膜层的面积为‎0.2 m2‎，由此可以估测油酸分子的直径为________cm。‎ 答案：(1)A　(2)5×10－8‎ ‎5．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，如图实123(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(保留一位有效数字)。‎ 图实123‎ ‎(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(结果保留两位有效数字)。‎ 答案：(1)256　8×10－10　(2)9.4×10－10‎ ‎6．在“用油膜法估测分子的大小”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，配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在蒸发皿内盛一定量的水，再滴入一滴溶液，待散开稳定；‎ ‎④在蒸发皿上覆盖玻璃板，描出油酸薄膜形状，用透明方格纸测量油酸薄膜的面积。‎ 请指出错误或有遗漏的步骤，并改正其错误：‎ 错误的步骤：__________________________________；‎ 有遗漏的步骤：________________________________。‎ ‎(2)用油膜法测出油酸分子直径后，要测定阿伏加德罗常数，还需知道油滴的(　　)‎ A．摩尔质量　　　　　　　　 B．摩尔体积 C．质量 D．体积 解析：(1)②由于一滴溶液的体积太小，直接测量时，相对误差太大，应用微小量累积法减小测量误差；③液面上不撒痱子粉时，滴入的油酸酒精溶液挥发后剩余的油膜不能形成一块完整的油膜，油膜间的缝隙会造成测量误差增大甚至实验失败。‎ ‎(2)由油酸分子的直径易得油酸分子的体积为π3＝πd3。欲求阿伏加德罗常数，由题中选项知，B正确。 ‎ 答案：(1)见解析　(2)B ‎7.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)‎ 答案：(1)④①②⑤③　(2)5×10－10‎ ‎8.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，稳定后形成的油膜的形状如图实122所示。若每一小方格的边长为‎25 mm，试问：‎ 图实122‎ ‎(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散开，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。(结果保留两位有效数字)‎ ‎(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，油膜的面积会先扩张后又收缩了一些，这是为什么呢？‎ 请写出你分析的原因：_____________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 解析：(1)油膜面积约占70小格，面积约为S＝70×25×25×10－‎6 m2‎≈4.4×10－‎2 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≈2.7×10－‎10 m。‎ ‎(2)实验过程中除了按步骤进行操作，还要仔细观察实验现象，并学会分析所观察到的现象。‎ 答案：(1)球体　单分子　直径　4.4×10－2　1.2×10－11　2.7×10－10　(2)主要有两个原因：①水面受到落下油滴的冲击，先陷下后又恢复水平，因此油膜的面积扩张；②油酸酒精溶液中的酒精挥发，使液面收缩