2019年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 熱學(xué) 實(shí)驗(yàn)十三 用油膜法估測分子的大小學(xué)案.doc

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實(shí)驗(yàn)十三　用油膜法估測分子的大小 1.實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)采用使油酸在水面上形成一層單分子油膜的方法估測分子的大小.當(dāng)把一滴用酒精稀釋過的油酸滴在水面上時(shí)，油酸就在水面上散開，其中的酒精溶于水，并很快揮發(fā)，在水面上形成如圖1甲所示形狀的一層純油酸薄膜.如果算出一定體積的油酸在水面上形成的單分子油膜的面積，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純油酸的體積，用S表示單分子油膜的面積，用d表示分子的直徑，如圖乙所示，則d＝. 圖1 2.實(shí)驗(yàn)器材 盛水淺盤、注射器(或滴管)、容量瓶、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. 3.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)用稀酒精溶液及清水清洗淺盤，充分洗去油污、粉塵，以免給實(shí)驗(yàn)帶來誤差. (2)配制油酸酒精溶液，取純油酸1 mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶內(nèi)注入酒精，直到液面達(dá)到500 mL刻度線為止，搖動(dòng)容量瓶，使油酸充分溶解在酒精中，這樣就得到了500 mL含1 mL純油酸的油酸酒精溶液. (3)用注射器(或滴管)將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并記下量筒內(nèi)增加一定體積Vn時(shí)的滴數(shù)n. (4)根據(jù)V0＝算出每滴油酸酒精溶液的體積V0. (5)向淺盤里倒入約2 cm深的水，并將痱子粉或細(xì)石膏粉均勻地撒在水面上. (6)用注射器(或滴管)將一滴油酸酒精溶液滴在水面上. (7)待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，并將油酸膜的形狀用彩筆畫在玻璃板上. (8)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S(求面積時(shí)以坐標(biāo)紙上邊長為1 cm的正方形為單位計(jì)算輪廓內(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)). (9)根據(jù)油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d. (10)重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，多測幾次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即為油酸分子直徑的大小. 1.數(shù)據(jù)處理 根據(jù)上面記錄的數(shù)據(jù)，完成以下表格內(nèi)容. 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 量筒內(nèi)增加1 mL 溶液時(shí)的滴數(shù) 輪廓內(nèi)的 小格子數(shù) 輪廓面積S 1 2 3 4 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 一滴純油酸 的體積V 分子的 大小(m) 平均值 1 2 3 4 2.注意事項(xiàng) (1)注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在1 cm之內(nèi)，當(dāng)針頭靠水面很近(油酸未滴下之前)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)針頭下方的粉層已被排開，這是針頭中酒精揮發(fā)所致，不影響實(shí)驗(yàn)效果. (2)待測油酸薄膜擴(kuò)散后又會(huì)收縮，要在油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后再畫輪廓.擴(kuò)散后又收縮有兩個(gè)原因：①水面受油酸液滴沖擊凹陷后又恢復(fù)；②酒精揮發(fā)后液面收縮. (3)當(dāng)重做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將水從淺盤的一側(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，并用脫脂棉擦去再用清水沖洗，這樣做可保持淺盤的清潔. (4)本實(shí)驗(yàn)只要求估測分子的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)量級符合要求即可.  命題點(diǎn)一　教材原型實(shí)驗(yàn) 例1　在“用油膜法估測分子的大小”實(shí)驗(yàn)中， (1)(多選)該實(shí)驗(yàn)中的理想化假設(shè)是(　　) A.將油膜看成單分子層油膜 B.不考慮各油酸分子間的間隙 C.不考慮各油酸分子間的相互作用力 D.將油酸分子看成球形 (2)實(shí)驗(yàn)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間形成清晰的邊界輪廓 B.對油酸溶液起到稀釋作用 C.有助于測量一滴油酸的體積 D.有助于油酸的顏色更透明便于識別 (3)某老師為本實(shí)驗(yàn)配制油酸酒精溶液，實(shí)驗(yàn)室配備的器材有：面積為0.22 m2的蒸發(fā)皿、滴管、量筒(50滴溶液滴入量筒體積約為1毫升)、純油酸和無水酒精若干.已知分子直徑數(shù)量級為10－10 m，則該老師配制的油酸酒精溶液濃度(油酸與油酸酒精溶液的體積比)至多為________‰(保留兩位有效數(shù)字). 答案　(1)ABD　(2)B　(3)1.1 解析　(1)計(jì)算分子直徑是根據(jù)體積與面積之比，所以需將油膜看成單分子層油膜，不考慮各油酸分子間的間隙，將油酸分子看成球形，故選A、B、D. (2)實(shí)驗(yàn)中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液的作用是對油酸起到稀釋作用，酒精稀釋油酸是為了進(jìn)一步減小油酸的面密度，使油酸分子盡可能少的在豎直方向上重疊，更能保證其形成單層分子油膜，也就是為了減小系統(tǒng)誤差. (3)根據(jù)題意可知，形成的油膜的面積不能超過蒸發(fā)皿的面積，當(dāng)油膜面積等于蒸發(fā)皿的面積時(shí)，油酸酒精溶液濃度最大.一滴油酸的體積V0＝dS＝10－10 m0.22 m2＝2.210－11 m3，一滴油酸酒精溶液的體積V＝ cm3＝210－8 m3，則此油酸酒精溶液的濃度為＝1.1 ‰. 例2　在“用單分子油膜估測分子大小”的實(shí)驗(yàn)中， (1)(多選)某同學(xué)計(jì)算出的結(jié)果明顯偏大，可能是由于(　　) A.油酸未完全散開 B.油酸中含有大量酒精 C.計(jì)算油膜面積時(shí)舍去了所有不足一格的方格 D.求每滴溶液中純油酸的體積時(shí)，1 mL溶液的滴數(shù)多記了10滴 (2)在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，油酸酒精溶液的濃度為每1 000 mL溶液中有純油酸1 mL，用注射器測得1 mL上述溶液有200滴，把一滴該溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，測得油膜的近似輪廓如圖2所示.圖中正方形小方格的邊長為1 cm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估測出油酸分子的直徑是________ nm. 圖2 答案　(1)AC　(2)0.4 解析　(1)分子直徑d＝，計(jì)算出的結(jié)果明顯偏大，若油酸未完全散開，面積偏小，直徑偏大，A正確；若油酸中含有大量酒精，會(huì)使油膜面積偏大，直徑偏小，B錯(cuò)誤；若計(jì)算油膜面積時(shí)舍去了所有不足一格的方格，會(huì)使油膜面積偏小，直徑偏大，C正確；求每滴溶液中純油酸的體積時(shí)，1 mL溶液的滴數(shù)多記了10滴，會(huì)使液滴體積變小，直徑偏小，D錯(cuò)誤. (2)油酸酒精溶液的濃度為，一滴溶液中含有純油酸的體積為 mL，形成油膜約占125個(gè)小格，即S＝12510－4 m2，則油酸分子的直徑d＝＝410－10 m＝0.4 nm. 變式1　在“用單分子油膜估測分子大小”實(shí)驗(yàn)中， (1)①取一定量的無水酒精和油酸，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在蒸發(fā)皿內(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在蒸發(fā)皿上覆蓋透明玻璃，描出油膜形狀，用透明方格紙測量油膜的面積. 改正其中的錯(cuò)誤：________________________________________________________ ________________________________________________________________________. (2)若油酸酒精溶液體積濃度為0.10%，一滴溶液的體積為4.810－3 mL，其形成的油膜面積為80 cm2，則估測出油酸分子的直徑為________ m. 答案　(1)見解析　(2)6.010－10 解析　(1)②由于一滴溶液的體積太小，直接測量時(shí)相對誤差太大，應(yīng)用微小量累積法減小測量誤差，故可在量筒內(nèi)滴入N滴該溶液，測出它的體積.③液面上不撒痱子粉或細(xì)石膏粉時(shí)，滴入的油酸酒精溶液在酒精揮發(fā)后剩余的油膜不能形成一塊完整的油膜，故應(yīng)先在液面上撒痱子粉或細(xì)石膏粉. (2)由油膜的體積等于一滴油酸酒精溶液內(nèi)純油酸的體積可得 d＝＝ m＝6.010－10 m. 變式2　在做“用油膜法估測分子的大小”的實(shí)驗(yàn)中，將油酸溶于酒精，其濃度為每104 mL溶液中有6 mL油酸.用注射器測得1 mL上述溶液有75滴，把1滴該溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的淺盤里，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膜的輪廓，再把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀和大小如圖3所示，坐標(biāo)中正方形方格的邊長為1 cm，試求： 圖3 (1)油酸膜的面積是________； (2)每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是________； (3)按以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估測出油酸分子的直徑是________(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字). 答案　(1)131 cm2　(2)810－6 mL　(3)6.110－10 m 解析　(1)根據(jù)題圖，數(shù)得格子數(shù)(多于半個(gè)的算一個(gè)，不足半個(gè)的舍去)為131個(gè)，那么油膜面積是S＝1311 cm2＝131 cm2. (2)根據(jù)已知條件可知，1 mL溶液中有75滴，1滴溶液的體積是 mL.又已知每104 mL溶液中有純油酸6 mL，一滴油酸酒精溶液中含純油酸的體積是 V＝ mL＝810－6 mL. (3)油酸分子的直徑為 d＝＝ cm≈6.110－10 m. 命題點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新 例3　測量分子大小的方法有很多，如油膜法、顯微法. (1)在“用油膜法估測分子大小”的實(shí)驗(yàn)中，用移液管量取0.25 mL油酸，倒入標(biāo)注250 mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250 mL的溶液.然后用滴管吸取這種溶液，向小量筒中滴入50滴溶液，溶液的液面達(dá)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淺盤中滴下1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4甲所示.坐標(biāo)格中每個(gè)小正方形方格的大小為2 cm2 cm.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(保留一位有效數(shù)字). 圖4 (2)如圖乙是用掃描隧道顯微鏡拍下的一個(gè)“量子圍欄”的照片.這個(gè)量子圍欄是由48個(gè)鐵原子在銅的表面排列成直徑為1.4310－8 m的圓周而組成的.由此可以估算出鐵原子的直徑約為________ m(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字). 答案　(1)256　810－10　(2)9.410－10 解析　(1)數(shù)油膜的正方形格數(shù)，大于半格的算一格，小于半格的舍去，得到油膜的面積S＝642 cm2 cm＝256 cm2.溶液濃度為，每滴溶液體積為 mL,1滴溶液中所含油酸體積為V＝210－5 cm3.油膜厚度即油酸分子的直徑是d＝≈810－10 m. (2)直徑為1.4310－8 m的圓周周長為D＝πd≈4.4910－8 m，可以估算出鐵原子的直徑約為 d′＝ m≈9.410－10 m.