《三维设计》2014新课标高考物理一轮总复习课件 第十一章 热学实验十二 用油膜法估测分子的大小(

一、实验目的(1)估测油酸分子的大小。(2)学会间接测量微观量的原理和方法。二、实验原理利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜(如图实－12－1所示)，将油酸分子看做球形，测出一定图实－12－1超链接体积油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积，用d＝V/S计算出油膜的厚度，其中V为一滴油酸酒精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。三、实验器材清水、盛水浅盘、滴管(或注射器)、试剂瓶、坐标纸、玻璃板、痱子粉(或石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩笔。四、实验步骤(1)取1毫升(1cm3)的油酸溶于酒精中，制成200毫升的油酸酒精溶液。(2)往边长约为30～40cm的浅盘中倒入约2cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上。(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，使这些溶液的体积恰好为1mL，算出每滴油酸酒精溶液的体积V0＝1nmL。(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，油酸就在水面上慢慢散开，形成单分子油膜。(5)待油酸薄膜形状稳定后，将准备好的玻璃板盖在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上。(6)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。方法是计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个，把正方形的个数乘以单个正方形的面积就是油膜的面积。(7)据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V，利用一滴油酸的体积V和薄膜的面积S，算出油酸薄膜的厚度d＝VS，即为油酸分子的直径。比较算出的分子直径，看其数量级(单位为m)是否为10－10，若不是10－10需重做实验。五、数据处理根据上面记录的数据，完成以下表格内容。21轮廓面积S轮廓内的小格子数量筒内增加1mL溶液时的滴数实验次数21平均值分子的大小(m)一滴溶液中纯油酸的体积V实验次数六、注意事项(1)油酸酒精溶液配制后不宜长时间放置，以免改变浓度，产生误差。(2)油酸酒精溶液的浓度应小于11000为宜。(3)痱子粉的用量不要太大，否则不易成功。(4)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，应多滴几毫升，数出对应的滴数，这样求平均值误差较小。(5)浅盘里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。(6)要待油膜形状稳定后，再画轮廓。(7)本实验只要求估算分子的大小，实验结果的数量级符合即可。(8)做完实验后，把水从盘的一侧边缘倒出，并用少量酒精清洗，然后用脱脂棉擦去，最后用水冲洗，以保持盘的清洁。七、误差分析(1)油酸酒精溶液配制后长时间放置，溶液的浓度会改变，会给实验带来较大误差。(2)纯油酸体积的计算误差。(3)油膜面积的测量误差①油膜形状的画线误差；②数格子法本身是一种估算的方法，自然会带来误差。实验原理与操作[例1](2011·全国高考)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40cm的浅盘里倒入约2cm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1cm3的油酸溶于酒精，制成300cm3的油酸酒精溶液；测得1cm3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0.13m2.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)根据实验原理易知操作步骤正确的顺序为④①②⑤③；(2)根据实验原理可知油酸分子直径为d＝VS＝1×10－6300×50×0.13m≈5×10－10m。[答案](1)④①②⑤③(2)5×10－10[题组演练]1．“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：“用油膜法估测分子的大小”的原理是将一滴油酸(体积为V)滴入水中，使之形成一层单分子油膜，成为一个一个单层排列的球形体，显然，球形体的直径即为单分子油膜的厚度d，假设单分子油膜的面积为S，必然有d＝VS，所以，“用油膜法估测分子的大小”实验的科学依据是A、B、D。答案：ABD2．一滴油酸酒精溶液含质量为m的纯油酸，滴在液面上扩散后形成的最大面积为S。已知纯油酸的摩尔质量为M、密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，下列表达式中正确的有()A．油酸分子的直径d＝MρSB．油酸分子的直径d＝mρSC．油酸所含的分子数n＝mMNAD．油酸所含的分子数n＝MmNA解析：设油酸分子的直径为d，则有dS＝mρ⇒d＝mρS，故B正确；设油酸所含的分子数为n，则有n＝mMNA，故C正确。答案：BC3．利用油膜法估测油酸分子的大小，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0.1mL的量筒、盛有适量清水的规格为30cm×40cm的浅盘、痱子粉、橡皮头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸。(1)下面是实验步骤，请填写所缺的步骤C。A．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1mL油酸酒精溶液时的滴数N；B．将痱子粉均匀地撒在浅盘内的水面上，用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液，从靠近水面处向浅盘中央一滴一滴地滴入油酸酒精溶液，直到油酸薄膜有足够大的面积且不与器壁接触为止，记下滴入的滴数n；C．________________________________________________________________________；D．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1cm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)用已给的和测得的物理量表示单个油酸分子的大小________(单位：cm)。解析：(1)待薄膜形状稳定后，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。(2)每滴油酸酒精溶液的体积为1Ncm3n滴油酸酒精溶液所含纯油酸的体积为V＝nN×0.05%cm3所以单个油酸分子的大小d＝VS＝n×0.05%NScm。答案：见解析数据处理与误差分析[例2]在“用油膜法估测分子大小”实验中所用的油酸酒精溶液的浓度为1000mL溶液中有纯油酸0.6mL，用注射器测得1mL上述溶液为80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，测得油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图实－12－2所示，图中每一小方格的边长为1cm，试求：图实－12－2(1)油酸薄膜的面积是________cm2；(2)实验测出油酸分子的直径是______________m；(结果保留两位有效数字)(3)实验中为什么要让油膜尽可能散开？[解析](1)舍去不足半格的，多于半格的算一格，数一下共有114(113～115)个；一个小方格的面积S0＝L2＝1cm2，所以面积S＝114×1cm2＝114cm2。(2)一滴纯油酸的体积V＝0.61000×180mL＝7.5×10－12m3油酸分子直径d＝VS＝7.5×10－12114×10－4m≈6.6×10－10m。(3)让油膜尽可能散开，是为了让油膜在水面上形成单分子油膜。[答案](1)114(113～115)都对(2)6.6×10－10(3)这样做的目的是让油膜在水面上形成单分子油膜[题组演练]4．某学生在做“用油膜法估测分子的大小”的实验时，计算结果偏大，可能是由于()A．油酸未完全散开B．油酸溶液浓度低于实际值C．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格D．求每滴体积时，1mL的溶液的滴数多记了10滴解析：由d＝VS知，选项A、C会导致油膜面积偏小，会使d偏大；选项B、D会使油酸体积偏小，分子直径d偏小。答案：AC5．(2012·江苏三校联考)将1mL的纯油酸配成500mL的油酸酒精溶液，待均匀溶解后，用滴管向量筒内滴加200滴上述溶液，量筒中的溶液体积增加了1mL，则每滴油酸酒精溶液体积为________mL。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200cm2，则估算油酸分子的直径是________m(保留一位有效数字)。解析：将1mL的纯油酸配成500mL的油酸酒精溶液，油酸浓度为1/500，每滴油酸酒精溶液的体积为1/200mL＝0.005mL。含纯油酸体积为V＝0.005mL×1/500＝10－5mL，由V＝Sd解得油酸分子的直径是d＝5×10－10m。答案：0.0055×10－106．(2011·江苏高考)某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前，查阅数据手册得知：油酸的摩尔质量M＝0.283kg·mol－1，密度ρ＝0.895×103kg·m－3。若100滴油酸的体积为1mL，则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少？(取NA＝6.02×1023mol－1，球的体积V与直径D的关系为V＝16πD3，结果保留一位有效数字)解析：一个油酸分子的体积V＝MρNA由球的体积与直径的关系得分子直径D＝36MπρNA最大面积S＝1×10－8m3D，解得S＝1×101m2。答案：1×101m27.油酸酒精溶液的浓度为每1000mL油酸酒精溶液中有油酸0.6mL，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1mL，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－12－3所示。若每一小方格的边长为25mm，试问：图实－12－3(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________。图实－12－3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2cm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：油膜面积约占70小格，面积约为S＝70×25×25×10－6m2≈4.4×10－2m2，一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V＝150×0.61000×10－6m3＝1.2×10－11m3，油酸分子的直径约等于油膜的厚度d＝VS＝1.2×10－114.4×10－2m≈2.7×10－10m。答案：(1)球体单分子直径4.4×10－21.2×10－112.7×10－10(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，使液面收缩章末验收评估见“阶段验收评估（十一）”