1、1 实验十 用油膜法估测分子大小的实验研究 一、预习与思考问题简析 1、几种测量分子大小的方法 （ 1）测量分子大小的常见方法是油膜法； （ 2）可以用 显微法 ，即用电子显微镜进行观察，通过放大倍数可以测量出分子的大小； （ 3）根据爱因斯坦 分子大小的新测定 一文 ， 可以知道 液体粘性与溶解的糖分子大小之间 存在函数 关系 .例如通过考虑大量的 糖分子，爱因斯坦导出 了计算扩散速度的数学公式，这样，通过估算扩散系数和溶液的粘度就可以得出糖分子的大小 . 2、为什么要稀释油酸？ 在理论上是可以不用稀释油酸的，在实验室中之所以稀释油酸， 是因为一滴纯油酸分子的分子数量非常大，要想准确地测量油
2、酸分子的长度最好是将油酸分子布开来 而 只有一层，这样就要求容器的面积得有排球场这么大，而我们的实验室不具备这样的条件，因此，需要通过 配 之制 溶液 来稀释油酸 .配置的油酸浓度并不是严格规定的，它 受到容器面积的限制 ，容器越大，配制的溶液浓度可以 大一点 ；容器越小，配制的溶液浓度就要小一点 . 3、关于爽身粉 （ 1）作用：由于水和溶液是无色的，当滴上油酸溶液后，我们分辨不出来，这时就要利用另一种物质反衬出来使得观察者更容易观察，所以我们在实验中使用爽身粉来观察一滴油酸分子在水面上散开后的面积 ， 这种利用外物的背景或形状来观察实验现象的方法叫反衬法 . （ 2）替代物：在本实验中，要
3、求所选的衬托物密度比水小，不溶于水，且呈粉末状，可以用松花粉、碎木屑粉等物质替代 .但 松花粉价格较贵，作为实验器材不经济，且碎木屑现象不明显，所以综合考虑可以用干燥的滑石粉代替爽身粉，滑石粉不仅满足条件，而且很便宜 . 4、 本实验中 用到的物理学研究方法 ： 用宏观量测微观量的方法 ： 又称为“放大法”，是设计本实验的核心物理思想，即根据宏观量的值去测量微观量 . 反衬法 ： 利用漂浮在水面上的爽身粉显示出稳定的油膜形状 . 差值 法 ： 在精确测取油酸和酒精体积，以及 用注射器记数 1ml 稀释溶液的滴数 时用到 . 转换法： 在计算油酸分子直径 d 的时候，利用了公式 d=V/S,将所
4、测量的物理量转化为测量 1 滴油酸 溶液 的体积 V 和所形成的油膜面积 S . 估算法 ： 将油酸分子看作球形进行计算，是一种近似估算的方法 . 累积法： 实验所需要测量的是一滴油酸溶液的体积 V ，但是由于 V 的数值太小，直接测量不容易，印象采用了“记下 1ml 稀释 油酸 溶液的滴数 N 和总体积 NV ”的累积方法来计算一滴油酸溶液的体积 V . 留迹法： 油膜散开在水面上本来是无色、无味，也没有形状的，但是利用爽身粉使得油膜的形状得以保留下来，并根据得到的形状大小而测得所需的物理量，利用留迹的思想 . 互补法： 在计算油膜面积 S 的时候用到了互补的思想 .首先将 坐标纸放在 画有
5、油膜轮廓的玻璃板上，然后用铅笔将其描绘下来，再根据“互补思想”计算轮廓范围内小正方形的个数，即“不足半个的舍去，多于半个的算一个”， 最后 用计算所得的个数乘以单个小正方形的面积就得到了油膜的面积 . 5、实验中的“奇异现象”及解释 （ 1）用注射器计算 1ml 稀释后的油酸溶液滴数：本实验的第一步是配制油酸溶液，并计算一滴稀释油酸溶液的体积 .对于严格按照稀释要求配制的溶液，却发现用针管取 1ml 所数得2 的滴数均为 200 滴左右，与标准值 175 滴相差很大 . 原因：配制好的溶液没有搅拌均匀，由于油酸的密度大于酒精，所以静置一段时间后，溶液会发生简单的分层现象，而我们用针管取溶液的时
6、候所取的是上层溶液，因此导致所取的 1ml 溶液中的油酸量偏低；没有用“差值法”读数，造成读数不准确 ；取油酸时，由于 0.1ml 的量太少，可能存在少取的情况 . （ 2）水面上油酸薄膜的轮廓图大于坐标纸的范围 . 原因：滴入水中的油酸溶液比正常的一滴多，可能滴入了两滴，也可能由于针尖的位置没有控制好； 油酸溶液滴入水中的高度过大，对水面有“冲量”作用；撒入水中的爽身粉过多或疏密不均，造成水面各方向上的张力不同 . 6、实验关键及误差来源 （ 1） 实验关键 因素 ： 实验中最关键的步骤是取的油酸分子的量要取得精准 ， 这一步骤对实验误差的影响最大 .因为它的量只有 0.1ml ，很容易就会
7、多取或少取很大比例的油酸量，而酒精的 量取多 1ml 或少 1ml 对实验的影响非常小，可忽略不计 ； 第二个关键因素是撒在水面上的爽身粉要 薄而 均匀，爽身粉过厚，油膜不能尽量扩开，爽身粉过少或不均匀，油膜容易裂开 .因此在撒粉的时候，应控制筛子离水面高一些，然后敲击筛网而在水面撒上一层均匀的爽身粉 . （ 2） 误差来源 ： 油酸的取量：取油酸、乙醇以及溶液时要分别使用专门的针管，不能混用，如混用容易造成实验误差；将一滴油酸溶液滴到水面中心的操作不规范；对油酸薄膜轮廓图的描绘不准确，要严格按照水面上的薄膜轮廓在透明玻璃板上进行描绘，在估测薄膜面积时，面积大于半个方格的算一个，不足半个的应舍
8、去 . 二、实验器材 浅盘 （直径为 40 厘米的圆盘） 、有机玻璃板（略大于浅盘）、油酸、无水乙醇、注射器、 量杯、爽身粉 、 筛子等 . 三、实验原理 实验中用的油酸是一种有机酸，分子式为 ,它的一个分子可设想有两部分组成：一部分是 ,它不受水的吸引；另一部分 COOH，与水有很强的亲合力而被水吸引 .当把一滴经乙醇稀释的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上迅速散开形成一个近似圆形的油膜，此时 由于不受水的吸引而冒出水面，而 COOH 部分却在水中，溶液中的酒精大部分溶于水中，其余的就挥发掉了，留在水面上的是一层纯油酸薄膜 .实验已经发现这层 油膜是一个单分子层，即是一个分子的厚度，油酸分子直
9、立在水面上，因此估测油酸分子的最大长度只要求出油膜的厚度就可以了 . 四、实验步骤 1、计算出一滴稀释油酸溶液的体积 实验中必须使用油酸的酒精稀释溶液 .因为一滴纯油酸中，油酸分子数量非常大，由一滴纯油酸形成的薄膜，一散布开来，就要布满大约一个排球场那样大的水面 .如果把同样一滴纯油酸放在实验室的一个容器内，油酸散不开，薄膜将会有几层甚至几十层分子的厚度 .这就不可能较准确地测量油酸分子的长度 . 用 10ml 量杯配制油酸对溶液的比为 1:100（在这里我们要思考配制比例 有什么因素决定）的稀释溶液，稀释剂用无水酒精 .注：配制该溶液过程中所使用的各种器具必须保持清洁，吸取酒精、油酸、溶液的
10、注射器必须分别专用，切勿混用，否则会增大实验误差 . 用注射器记数 1ml 稀释溶液的滴数 .反复记数三次，然后取其平均值作为 1ml 溶液的滴数 . 3 根据所配制的稀溶液中油酸与溶液之比、 1ml 溶液的滴数 .计算出每一滴稀释油酸溶液所含纯油酸的体积 V. 2、在圆盘平静的水面上撒上均匀的爽身粉 在清洁的浅盘中倒入清水，水深 1 2cm.待水面平静之后，在水面上撒上一层薄而均匀的爽身粉 .注意不要触动圆盘和盘中水 3、 滴油酸，描绘油酸薄膜的轮廓图 用注射器在浅盘中央水面上方约 1cm 处，滴一滴稀释的油酸溶液 .稍待片刻之后，将有机玻璃板 轻轻地盖到浅盘上，注意不要振动水面 .用水彩笔
11、迅速在有机玻璃上描绘出油酸薄膜的轮廓图，如图 1 所示 . 注意：描绘轮廓图时，眼睛视线要始终与有机玻璃垂直，而且浅盘水面尽量离玻璃板近，以避免视深度给实验带来的误差 . 4、 描绘轮廓图 把坐标纸用胶纸粘贴在有机玻璃板上，把有机玻璃板向着窗子，用铅笔在坐标纸上描绘出油酸薄膜的轮廓图 . 5、 求薄膜面积 求出油酸薄膜面积 S，以 为单位计算坐标纸上轮廓图内正方形格数（不完整的格子可用互补的方法计算） . 6、 计算油酸分子的大小 由每一滴溶液中油酸的体积（ ），以及其薄膜面积 S（ ），计算出油酸分子的大小 L（ cm） .把测得的油酸分子长度值与公认值 cm 作比较 . 五 、实验数据记录
12、及处理 （ 1） 本实验中配制了浓度为 1100 的油酸溶液，三次取 1ml 稀释溶液 分别数得滴数为： 178，174， 176，因此一滴油酸溶液中所含油酸的体积为： 5311 5 6 .8 2 1 01 7 6 1 0 0 cm . （ 2）根据坐标纸上油膜的轮廓图，算得油膜的面积约为： 2378S cm . （ 3）单个油酸分子的直径为： 5 65 6 . 8 2 1 0 = 1 . 5 0 1 0378Vd c mS . 六、实验注意事项 1、 在配制溶液时，由于油酸的密度大于酒精的密度，油酸主要聚集在底部，导致量筒内上下部分溶液浓度不均匀，对计数 1ml 稀释溶液滴数容易造成影响，所
13、以我们应该对溶液进行搅拌 .由于没有搅拌棒，我们可以使用针管从抽取溶液，然后快读释放回量筒内，反复进行几次 . 2、 在用注射器记数时，会遇到一些问题 .如，针管内的溶液可能滴太快 .这时候，我们可以倾斜着查看，但是由于是倾斜着查看，我们记的数就是倾斜着读出来的滴数，在后面的所有的实验过程，我们必须要保持相同的倾斜角度，并且由于针尖有磨斜，我们还要保证磨斜的角度，这样子的操作具有一定难度 .因此，我们可以选择竖直着查看，同时，用手把着针管，这样能减缓溶液下滴速度 . 3、 向水面撒粉及滴液时，实验前需反复练习，掌握要领 .撒粉既要薄又要均匀；滴液必须做到只滴一滴，滴液高度距水面 1cm 左右
14、.在撒粉时，我们使用的方法是用手指甲盖连续敲击4 浅盘外壁 . 4、 向水面滴液滴前，需待液面平静下来再进行 .向水面滴液滴时以及描轮廓等，动作一定要轻、稳 . 5、 在有机玻璃上描绘油酸轮廓时动作一定要轻而迅速 . 6、 整个过程包括撒粉，滴液滴，描轮廓都要连贯 . 在取液体时，比如取 1ml 溶液，由于针管内部的构造的问题，而且活塞的台有一定的厚度，若直接用针管取至读数为 1ml，会出现一定误差，所以，在实验过程中，我们采取的是差值法 . 七、实验教学思考 1、对于物质分子大小的测量，利用现代技术 （如 离子显微镜或扫描隧道显微镜 ） 已经能观察到物质表面的分子 .但是，这毕竟离中学物理太
15、远，高中物理 课本中新设置的“用油膜法估测分子的大小” 学生分组实验，设计思想十分巧妙，它用宏观量的测量来估测微观量的数值， 这在中学物理实验中是唯一的一个， 不仅弥补了这一遗憾，而且有利于学生的科学思维方法的培养；有利于学生深化对微观世界的认识，提高学生的实验技能、技巧，有利于学生的良好素质的培养 .因此，应该充分利用这一教学资源，引导学生大胆猜想，提出各种假设、理清实验的设计思想，把握住关键步骤进行实验探究，收集实验数据，得出实验结论 .让学生在学习物理知识与技能的同时，提高科学探究的能力 . 2、 要像学生解释清楚“油膜法测量分子直径”的理论依据 .可从油酸的分子式入手，油酸的化学分子式
16、是 C17H33COOH，它的一个分子可以设想为两部分组成：一部分是 C17H33，它不受水的吸引；另一部分是 COOH，它对水有很强的亲合力 .经过酒精稀释的油酸滴在水面上形成近似圆形的油膜，酒精溶于水并挥发后，在水面上形成一层单分子纯油酸层，其中 C17H33 冒出水面，而 COOH 部分在水中 .估算油酸分子的最大长度只需求出这层油膜的厚度即可 .还可以展示我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子结构排布图的照片，这样学生建立起来 的物质分子的物理模型具体又形象，也加深了对油膜法的认同和理解 . 3、 利用宏观量的测量来估测微观量的思想需要向学生交代 清楚 .本实验的另一个巧妙构思是利用酒精稀释油酸，将其配制成 1： 100 的油酸溶液，降低了单位体积内的油酸分子含量，再取其中一滴，两次缩小，减少了油酸的含量，使一滴油酸形成的薄膜面积减小到几百平方厘米，达到中学实验室可测水平，最终把微观量与宏观量联系起来，实现了通过测定宏观量来估测微观量的目的 .
