【物理】2019届一轮复习人教版实验：用油膜法测分子的大小学案

【物理】2019届一轮复习人教版实验：用油膜法测分子的大小学案

第3讲　实验：用油膜法测分子的大小 见学生用书P198‎ ‎　　　　　　　　　　微知识1 实验目的 ‎1．估测油酸分子的大小。‎ ‎2．学习间接测量微观量的原理和方法。‎ 微知识2 实验原理 利用油酸的酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜(如图所示)，将油酸分子看做球形，测出一定体积油酸溶液在水面上形成的油膜面积，用d＝计算出油膜的厚度，其中V为一滴油酸溶液中纯油酸的体积，S为油膜面积。这个厚度就近似等于油酸分子的直径。‎ ‎　微知识3 实验器材 ‎　盛水浅盘、滴管(或注射器)、试剂瓶、坐标纸、玻璃板、痱子粉、油酸酒精溶液、量筒、彩笔。‎ ‎　微知识4 实验步骤 ‎1．用滴管(或注射器)将油酸酒精溶液滴入量筒，数出每毫升油酸酒精溶液的滴数，算出每滴液滴体积的平均值。‎ ‎2．把洗干净的浅盘水平放置，倒入约‎2 cm深的水。用纱 (或粉扑)将适量的痱子粉(或石膏粉)轻轻撒在水面上。‎ ‎3．用滴管(滴管距离水面约‎1 cm)将一滴油酸酒精溶液轻轻滴入水面中央，待油膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下油酸膜的形状。‎ ‎4．将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形小方格的个数(不足半格的舍去，多于半格的算一个格)，估测出油膜的面积，估算油酸分子的直径。‎ ‎5．清洗浅盘，擦去玻璃板上的油膜轮廓线，重复做2次至3次实验。‎ ‎　微知识5 数据处理 根据上面记录的数据，完成以下两个表格内容。‎ 微知识6 注意事项 ‎1．实验前，必须将所有的实验用具擦洗干净。实验时，吸取油酸、酒精和溶液的移液管要分别专用，不能混用，否则会增大实验误差。‎ ‎2．痱子粉和油酸的用量都不可太大，否则不易成功。‎ ‎3．油酸酒精溶液的浓度以小于0.1 为宜，不宜长时间放置。‎ ‎4．浅盘中的水离盘口面的距离应较小，并要水平放置，以便准确地画出薄膜的形状，画线时视线应与板面垂直。‎ ‎5．油酸在水面上形成油膜时先扩散后收缩，要在稳定后再画轮廓。扩散后又收缩的原因有两个：一是水面受液滴冲击凹陷后又恢复；二是酒精挥发后，油膜回缩。‎ ‎6．滴油酸酒精溶液的滴口应在离水面‎1 cm之内，否则油膜难于形成。‎ ‎7．因为水和油酸都是无色透明的液体，所以要用痱子粉来显示油膜的边界。注意要从盘的中央加痱子粉。由于加粉后水的表面张力系数变小，水将粉粒拉开，同时粉粒之间又存在着排斥作用，粉会自动扩散至均匀。这样做，比将粉撒在水面上的实验效果要好；撒痱子粉后，不要再触动盘中的水。‎ ‎8．当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸。为防止影响下次实验时油酸的扩散和油膜面积的测量，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去，再用清水冲洗，这样可保持盘的清洁。‎ ‎9．本实验只要求估算分子的大小，实验结果数量级符合要求即可。‎ 微知识7 误差分析 ‎1．油酸酒精溶液配制后长时间放置，溶液的浓度容易改变，会给实验带来较大误差。‎ ‎2．利用小格子数计算轮廓面积时，轮廓的不规则性容易带来计算误差。为减小误差，不足半个格子的舍去，多于半个格子的算一个。方格边长的单位越小，计算出的面积越精确。‎ ‎3．测量量筒内溶液增加1 mL的滴数时，注意正确的观察方法。‎ ‎4．油膜形状的画线误差。‎ 一、思维辨析(判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。)‎ ‎1．油膜法测分子直径实验的原理关系式为d＝，其中V指一滴油酸溶液的体积，S指油膜的面积。(×)‎ ‎2．用数格子的方法计算油膜面积时，多于半格的算一个，少于半格舍去。(√)‎ 二、对点微练 ‎1．(实验原理和操作)“用油膜法估测分子的大小”实验的简要步骤如下：‎ A．将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数(不足半个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长求出油膜的面积S B．将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描画在玻璃板上 C．用浅盘装入约‎2 cm深的水 D．用公式d＝求出薄膜厚度，即油酸分子的大小 E．根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V ‎(1)上述步骤中有步骤遗漏或步骤不完全，请指出：‎ ‎①_________________________________________________。‎ ‎②_________________________________________________。‎ ‎(2)上述实验步骤的合理顺序是__________。‎ 解析　(1)①C步骤中，要在水面上均匀地撒上细石膏粉或痱子粉。②实验中，要有步骤F：用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积时的滴数。‎ ‎(2)合理顺序为CFBAED。‎ 答案　(1)见解析　(2)CFBAED ‎2．(数据处理)在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每104 mL溶液中有6 mL油酸。用注射器测得1 mL上述溶液有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，其形状和大小如图所示，坐标中正方形方格的边长为‎1 cm，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是多少？‎ ‎(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径。‎ 解析　(1)根据题图，数得格子数为129个，那么油膜 面积是S＝129×‎1 cm2＝‎129 cm2。‎ ‎(2)根据已知条件可知，1 mL溶液中有75滴，1滴溶液的体积是 mL。又已知每104 mL溶液中有纯油酸6 mL，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积是V＝ mL＝8×10－6 mL。‎ ‎(3)油酸分子的直径为 d＝＝ cm≈6.2×10－‎10 m。‎ 答案　(1)‎129 cm2　(2)8×10－6 mL　(3)6.2×10－‎‎10 m 见学生用书P199‎ 微考点　　实验操作和数据处理　　　　　　　　　　　‎ 核|心|微|讲 本实验中处理数据要注意两点：一是根据体积比计算出一定体积的油酸酒精溶液中纯油酸的体积；二是计算油膜面积时，必须遵循“数格子法”的原则，即不足半个的舍去，多于半个的算一个。‎ 典|例|微|探 ‎【例】　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所示。若每一小方格的边长为‎25 mm，则：‎ ‎(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为________ m3；根据上述数据，估测出油酸分子的直径为________m。(结果均保留两位有效数字)‎ ‎(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：__________________________ 。‎ ‎【解题导思】‎ ‎(1)油膜法测分子大小的原理是形成单分子油膜，把每个分子看成球形，则分子直径如何表示？‎ 答：d＝，其中V指一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积，S为油膜面积。‎ ‎(2)油酸在水面上形成油膜时先扩散后收缩，要在稳定后再画轮廓，为什么？‎ 答：有两个原因：一是水面受液滴冲击引起；二是酒精挥发。 ‎ 解析　(1)油膜面积占68小格，面积约为S＝68×25×25×10－‎6 m2‎＝4.3×10－‎2 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≈2.8×10－‎10 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 ‎4．3×10－2　1.2×10－11　2.8×10－10‎ ‎(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 题|组|微|练 ‎1．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，用a mL的纯油酸配制成b mL的油酸酒精溶液，再用滴管取1 mL油酸酒精溶液，让其自然滴出，共n滴。现在让其中一滴落到盛水的浅盘内，待油膜充分展开后，测得油膜的面积为S cm2，则：‎ ‎(1)估算出油酸分子的直径大小是________cm。‎ ‎(2)用油膜法测出油酸分子的直径后，要测定阿伏伽德罗常数，还需要知道油滴的________。(填选项字母)‎ A．摩尔质量 B．摩尔体积 C．质量 D．体积 解析　(1)油酸酒精溶液的浓度为，一滴油酸酒精溶液的体积为 mL，一滴油酸酒精溶液含纯油酸 mL，则油酸分子的直径大小为d＝ cm。‎ ‎(2)设一个油酸分子体积为V，则V＝π3，由 NA＝可知，要测定阿伏伽德罗常数，还需知道油滴的摩尔体积，故B项正确。‎ 答案　　(1)　(2)B ‎2．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。(结果保留两位有效数字)‎ 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。‎ 答案　(1)直径　(2)4.0×10－12　4.9×10－10‎ 见学生用书P200‎ ‎1．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，已知一滴溶液中油酸的体积为V油酸，配制的油酸溶液中，纯油酸与溶液体积之比为1∶5 000,1 mL溶液滴25滴，那么1滴溶液的体积是________mL，所以1滴溶液中油酸的体积为V油酸＝________cm3。若实验中测得结果如下表所示，请根据所给数据填写出空白处的数值，并与公认的油酸分子直径d0＝1.12×10－‎10 m作比较，判断此实验是否符合数量级的要求：________。(填“是”或“否”)‎ 解析　由题给条件得，1滴溶液的体积V溶液＝ mL＝4×10－2 mL，因为＝，故1滴溶液中油酸的体积为V油酸＝V溶液＝× cm3＝8×10－‎6 cm3。‎ 据此算得3次测得d的结果分别为 ‎1．50×10－‎8 cm,1.62×10－‎8 cm,1.42×10－‎8 cm，‎ d的平均值 ＝≈1.51×10－‎10 m。‎ 这与公认值的数量级相吻合，故本次估测数值符合数量级的要求。‎ 答案　4×10－2　8×10－6　1.50×10－8　1.62×10－8　1.42×10－8　1.51×10－10　是 ‎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，如图所示，测得油膜占有的正方形小格数为X。‎ ‎(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．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，向撒的痱子粉的盛水浅盘中滴入2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待薄膜稳定后，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(保留两位有效数字)，由此估算出油酸分子的直径是________ m。(保留一位有效数字)‎ ‎(2)如图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。(保留两位有效数字)‎ 解析　(1)数油膜的正方形格数，大于半格的算一格，小于半格的舍去，估算出油膜的面积S＝格数×‎2 cm×‎2 cm＝‎256 cm2≈2.6×‎102 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V＝2×10－‎5 cm3，油膜厚度即油酸分子的直径d ‎＝≈8×10－‎10 m。‎ ‎(2)直径为1.43×10－‎8 m的圆周周长为πd≈4.5×10－‎8 m，可以估算出铁原子的直径约为 m＝9.4×10－‎10 m。‎ 答案　(1)2.6×102　8×10－10　(2)9.4×10－10‎