資源簡介

1.2 實驗：用油膜法估測油酸分子的大小
【學習目標】
1.通過任務1及其活動,建構物理模型,小組討論確定實驗方案,分工合作完成實驗操作。(物理觀念、科學思維、科學探究)
2.通過任務2及其活動,對實驗獲取的數據進行分析、處理,討論后得出實驗的結論,并與預設結論進行對比,得出科學的結論。(科學探究、科學態度與責任)
【自主預習】
　　重點難點:理解和學會用單分子油膜法估算分子大小(直徑)。掌握運用阿伏加德羅常數估算微觀量(分子的體積、直徑、分子數等)的方法。油膜法測分子直徑實驗的操作是本節的難點。
教學建議:前一節已經學習了分子動理論的基本內容,知道物體是由大量分子組成的,這一節我們來做實驗:用油膜法估測油酸分子的大小。實驗前應引導學生思考實驗思路,并詳細介紹實驗中的“放大”作用,引導學生分組討論、協作完成探究問題,開拓思維,體會怎樣通過宏觀量來(間接)測量微觀量。要引導學生對分子大小進行抽象思維、理想化模型的處理和具體計算,讓學生對看不見摸不著的很微小的分子(直徑數量級、質量數量級)有個初步的了解。要對學生疑惑之處進行點撥,師生互動全面突破知識重點、難點。
導入新課:分子十分微小。以水為例,一個直徑為10-3 mm 左右的水珠,它的大小與細菌差不多,用肉眼無法觀察,就是在這樣小的水珠里,分子的個數竟比地球上人口的總數還多上好幾倍!那么,通過什么途徑可以知道分子的大小呢
思考并回答問題。
思考1:實驗中為什么用酒精對油酸進行稀釋
　　提示:用酒精對油酸進行稀釋有利于獲取更小體積的純油滴,這樣更有利于油酸在水面上形成單分子油膜。同時酒精易揮發,不影響測量結果。
　　思考2:實驗中為什么在水面上撒爽身粉
　　提示:撒爽身粉后,便于觀察所形成的油膜的輪廓。
正確的打“√”,錯誤的打“×”。
(1)在“用單分子油膜估測分子的大小”實驗中,使用到了理想模型法的研究方法。(　　)
(2)為了減小“用油膜法估測分子的大小”的實驗誤差,可以用牙簽把水面上的油膜盡量撥弄成規則形狀。(　　)
(3)在計算油膜面積時,不足一格的都應忽略不計。(　　)
　　答案　(1)√　(2)×　(3)×
【合作探究】
任務1　實驗原理與操作
情境引入
為了估測油酸分子的大小,我們把 1 滴油酸滴在水面上,水面上會形成一層油膜,油膜是由單層油酸分子(C17H33COOH)中的烴基C17H33-組成的。
問題引領
1.估測油酸分子直徑大小的實驗原理是什么
　　解答:油酸是一種脂肪酸,把一滴油酸滴到平靜的水面上,油酸會展開形成一層油膜。則單分子油膜的厚度就近似等于分子的直徑。只要測量出這一滴油酸的體積V和油膜的面積S,就可估算出油酸分子的直徑,即d=。
2.本實驗中有哪些內容體現了理想化模型的物理思想方法
　　解答:實驗中要讓油酸在水面盡可能散開,形成單分子油膜,并將油膜分子看成球形且緊密排列,均體現了理想化模型的物理思想方法。
3.請你分析實驗中部分儀器的用途。
儀器 用途
盛水淺盤
坐標紙、玻璃板
爽身粉
油酸酒精溶液
解答:
儀器 用途
盛水淺盤 提供平靜的水面
坐標紙、玻璃板 描繪單分子油膜的形狀
爽身粉 撒在水面上使油膜邊界清晰
油酸酒精溶液 獲得單分子油膜
知識生成
1.利用單分子油膜法測量分子直徑的原理
把一滴油酸酒精溶液滴到水面上,油酸在水面上散開形成單分子油膜,在計算分子大小時,通常可以把分子看作是一個①　　,這是一個理想化的模型。通常認為油酸分子是一個挨一個單層排列的,②　　　　　等于油酸分子的直徑。實驗時先測出油酸酒精溶液中油酸的體積V,再測出油膜的面積S,就可估算出油酸分子的直徑d,公式d=③　　　　。
2.實驗步驟
(1)取1 mL(1 cm3)的油酸溶于酒精中,制成N mL的油酸酒精溶液,則油酸的濃度為④　　　　。
(2)往邊長為30 cm~40 cm的淺盤中倒入約2 cm深的水,然后將爽身粉(或細石膏粉)均勻地撒在水面上。
(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,使這些溶液的體積恰好為1 mL。
(4)用滴管(或注射器)向水面中央滴入一滴配制好的油酸酒精溶液,油酸就在水面上慢慢散開,形成⑤　　　　　。
(5)待油酸薄膜形狀穩定后,將一塊較大的玻璃板蓋在淺盤上,用彩筆將油酸薄膜的形狀畫在⑥　　　　上。
①球體　②油膜的厚度　③　④　⑤單分子油膜
⑥玻璃板
應用探究
[活動]實驗操作與原理分析
例1　某實驗小組在做“油膜法估測分子大小”的實驗時,測算出1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積后,完成相關實驗操作。
(1)該小組進行下列實驗操作,請將它們按操作先后排序:　　　　　 (用字母符號表示)。
A.彩筆描繪出油膜輪廓 B.將1滴油酸酒精溶液滴入水面
C.爽身粉輕撒在水面上　　D.抽取油酸酒精溶液
(2)本實驗中做了一些理想化假設,以下說法正確的是　　　　　。
A.把在水面上盡可能擴散開的油膜視為單分子油膜
B.把形成油膜的分子看作緊密排列的球形分子
C.將油膜視為單分子油膜,但需要考慮分子間隙
D.在淺盤水面內均勻撒爽身粉的厚度剛好等于分子直徑
　　答案　(1)CDBA　(2)AB
解析　(1)“油膜法估測分子大小”實驗中先把爽身粉均勻撒到水面上,再用注射器取一定的溶液,然后滴一滴到水中,再蓋上玻璃蓋,用筆在玻璃上描出油酸的輪廓,把坐標紙鋪在玻璃上,故順序為CDBA。
(2)該實驗中的理想化假設是:把在水面上盡可能擴散開的油膜視為單分子油膜,不需要考慮分子間隙,A項正確,C、D兩項錯誤;把形成油膜的分子看作緊密排列的球形分子,將油酸分子視為球體模型,B項正確。
任務2　數據處理與分析
情境引入
如圖所示,這是小明所在小組實驗獲取的油膜形狀,他們小組在計算面積的時候只保留了整個正方形格子的數量。
問題引領
1.請問小明他們小組計算油膜面積的方法是否正確,請你解釋一下原因。
　　解答:小明小組計算油膜面積的方法不正確,誤差太大,他們求出的面積小于油膜的實際面積。
2.如何計算1滴油酸的體積V
　　解答:計算出1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積,方法是:設n滴油酸酒精溶液是1 mL,則每1滴的油酸酒精溶液的體積是 mL,知道配制溶液的比例是,則1滴溶液中的純油酸體積V=· mL。
3.如果實驗中第一次不成功,把水倒掉,直接換上新水進行實驗,對實驗效果是否會有影響
　　解答:會有影響,其一,上一次實驗中的油酸有可能存在殘留;其二,上次實驗中的爽身粉有了殘留會影響油膜的形狀,影響后面數格子。
4.我們知道實驗的誤差是不能夠避免的,請你思考一下,用油膜法估算油酸分子大小的實驗中,如何減小實驗帶來的誤差
　　解答:(1)油酸酒精溶液配制后不要長時間放置,避免酒精的揮發而導致溶液的濃度改變。(2)利用量筒測量油酸酒精溶液的體積時,要采用正確的讀數方法。(3)一滴油滴的體積不要過大,避免不能形成單分子油膜。(4)計算油膜面積數格時,不足半格的舍去,多于半格的算1個格,約等于半格的兩個算一個,用格子的總數乘以單個格子的面積得到純油酸形成的油膜的面積。
知識生成
1.數據處理
(1)算出每滴油酸酒精溶液的體積V0=⑦　　　　 mL。
(2)計算油膜的面積S:以邊長為1 cm的正方形為單位,計算輪廓內正方形的個數,大于半個的算一個,不足半個的舍去。
(3)計算油酸的分子直徑:d=(注意⑧　　　　統一)。
2.誤差分析
(1)油酸酒精溶液配制后長時間放置,溶液的濃度會改變,會給實驗帶來較大誤差。
(2)純油酸體積的計算誤差。
(3)油膜面積的測量誤差。
a.油膜形狀的畫線誤差。
b.數格子法本身是一種估算的方法,自然會帶來誤差。
3.實驗結果表明,多數分子大小的數量級為⑨　　　m。
⑦　⑧單位　⑨10-10
應用探究
[活動]實驗數據處理
例2　某實驗小組利用油膜法估測油酸分子的大小,實驗步驟如下:
A.取V1=0.2 mL的純油酸和一定體積的無水酒精配制成V2=1000 mL油酸酒精溶液;
B.用注射器將配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,測得n=80滴油酸酒精溶液的體積V3=1 mL;
C.取一個直徑D=30 cm的水槽,并在水槽中倒入適量的清水,待水面穩定后將適量爽身粉均勻地撒在水面上;
D.用注射器將配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待油膜形狀穩定;
E.將透明玻璃板蓋在水槽上,然后將油膜的形狀用記號筆描繪在玻璃板上;
F.將畫有油膜形狀的玻璃板平放在坐標紙上,計算出油膜的面積S。
回答下列問題:
(1)將畫有油膜形狀的玻璃板平放在坐標紙上,如圖1所示,已知坐標紙上小格子的邊長為1 cm,則油膜的面積S=　　　　　m2。
(2)實驗配制的一滴油酸滴酒溶液中含有的純油酸的體積為　　　　　m3(結果保留2位有效數字)。
(3)將油酸分子簡化成球形處理,并認為它們緊密排布形成單層分子油膜,則油酸分子半徑的計算公式為r=　　　　　(用題目中的物理量符號表示)。
(4)若估測出油酸分子的半徑為r,已知阿伏加德羅常數為NA,由此可以推算出油酸的　　　　　。
A.摩爾體積　B.摩爾質量　C.密度　D.平均動能
(5)在步驟E中,水槽邊緣不平整,蓋在水槽上的玻璃板與形成的油膜并不平行,側視圖如圖2所示,則該情況會導致最終測得油酸分子的半徑結果　　　　(選填“偏大”或“偏小”)。
　　答案　(1)7.0×10-3(6.9×10-3~7.1×10-3均正確)　(2)2.5×10-12　(3)　(4)A　(5)偏小
解析　(1)油膜的面積為1 cm2乘以方格數目,不足半格的不計入,超過半格的按一格計入,油膜覆蓋的方格大約為70個,所以油膜的面積S=70 cm2=7.0×10-3 m2(6.9×10-3~7.1×10-3均算正確)。
(2)一滴油酸酒精溶液中含有的純油酸的體積V=0.2×× mL=2.5×10-12 m3。
(3)用純油酸的體積除以油膜的面積,得出的油膜厚度,即油酸分子的直徑,根據實驗數據,油酸分子的直徑d=,所以油酸分子的半徑r==。
(4)油酸分子簡化成球形處理,估測出其半徑,就可估算出一個油酸分子的體積,再乘以阿伏加德羅常數即算得油酸的摩爾體積,故選A。
(5)玻璃板和油膜平面不平行,導致在玻璃板上描繪的油膜輪廓圍成的面積大于油膜的實際面積,所以最終測得的油膜分子半徑偏小。
歸納總結　　實驗注意事項
(1)實驗前,必須把所有的實驗用具擦洗干凈,否則難以形成油膜;實驗時吸取油酸、酒精和溶液的移液管要分別專用,不能混用,否則會增大誤差,影響實驗結果。
(2)油酸酒精溶液配制好后不要長時間放置,以免改變濃度,造成較大的實驗誤差。
(3)淺盤中的水應保持平衡,爽身粉應均勻地撒在水面上。爽身粉不宜撒得過厚,油酸酒精溶液的濃度以小于為宜。
(4)向水面滴油酸酒精溶液時,應靠近水面,不能離水面太高,否則油膜難以形成。
(5)待測油酸面擴散后又收縮,要在穩定后再畫輪廓,擴散后又收縮有兩個原因:一是水面受油酸液滴的沖擊凹陷后又恢復;二是酒精揮發后液面收縮。
(6)本實驗只要求估算分子大小,實驗結果的數量級符合要求即可。
【隨堂檢測】
1.(任務1、2) 如圖所示,在“用油膜法測量油酸分子大小”的實驗中,下列說法中正確的是(　　)。
A.用油膜法可以精確測量分子的大小
B.油酸分子直徑等于純油酸體積除以相應油膜面積
C.計算油膜面積時,應舍去所有不足一格的方格
D.實驗時應先將一滴油酸酒精溶液滴入水面,再把爽身粉灑在水面上
　　答案　B
解析　由于油膜法假設分子是單層并且緊密相連的,并不完全符合實際,故不能精確測量分子的大小,A項錯誤;根據實驗原理可知,分子直徑等于純油酸的體積除以相應的油膜的面積,B項正確;在計算面積時,超過半格的按一格算,不足半格的才能舍去,C項錯誤;實驗時要先撒爽身粉,再滴油酸酒精溶液,D項錯誤。
點評　油酸酒精溶液配制后不要長時間放置,以免濃度改變,產生誤差;實驗中所用的油酸及酒精都應取純藥品,否則會影響結果。另外,實驗中所有的容器必須潔凈,不能有油污。
2.(任務2)在“用油膜法估測分子的大小”的實驗中,已知實驗室中使用的油酸酒精溶液的濃度為A,N滴溶液的總體積為V。在淺盤中的水面上均勻撒上爽身粉,將一滴溶液滴在水面上,待油膜穩定后,在帶有邊長為a的正方形小格的玻璃板上描出油膜的輪廓(如圖所示),測得油膜占有的正方形小格個數為X。
(1)用以上字母表示一滴油酸酒精溶液中的純油酸的體積為　　　　。
(2)油酸分子的直徑約為　　　　。
　　答案　(1)　(2)
解析　(1)1滴油酸酒精溶液的體積V1=,油酸酒精溶液的濃度為A,則1滴溶液含有純油酸的體積V0=。
(2)1滴純油酸所形成的單分子油膜的面積S=Xa2,則單分子油膜的厚度,也就是油膜分子直徑d===。
3.(任務1、2)在“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中,有下列實驗步驟:
①往邊長約為40 cm的淺盤里倒入約2 cm深的水,待水面穩定后將適量的爽身粉均勻地撒在水面上;
②用注射器將事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形狀穩定;
③將畫有油膜形狀的玻璃板平放在坐標紙上,計算出油膜的面積,根據油酸的體積和面積計算出油酸分子直徑的大小;
④用注射器將事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,記下量筒內每增加一定體積時的滴數,由此計算出一
滴油酸酒精溶液的體積;
⑤將玻璃板放在淺盤上,然后將油膜的形狀用彩筆描繪在玻璃板上。
完成下列填空:
(1)上述步驟中,正確的順序是:　　　　 (填寫步驟前面的數字)。
(2)將1 cm3的油酸溶于酒精,制成300 cm3的油酸酒精溶液;測得1 cm3的油酸酒精溶液有50滴,現取一滴該油酸酒精溶液滴在水面上,測得所形成的油膜的面積為0.13 m2。由此估算出油酸分子的直徑為　　　　 m(結果保留1位有效數字)。
(3)下列說法不能作為油膜法粗略測定分子直徑的實驗基礎的是　　　　。
A.油滴擴散為油膜時體積不變
B.油酸分子直徑的數量級是10-10 m
C.讓油酸在水面上充分散開,形成單分子油膜
(4)實驗中若油酸未完全散開,會導致計算分子直徑的結果　　　　　(選填“偏大”或“偏小”)。
　　答案　(1)④①②⑤③　(2)5×10-10　(3)B　(4)偏大
解析　(1) “用油膜法估測油酸分子的大小”實驗步驟為:配制油酸酒精溶液(教師完成,記下配制比例)→測定一滴油酸酒精溶液的體積(題中的④)→準備淺水盤(①)→形成油膜(②)→描繪油膜邊緣(⑤)→測量油膜面積(③)→計算分子直徑(③)。
(2)先計算一滴油酸酒精溶液中油酸的體積=一滴油酸酒精溶液的體積×配制比例為× m3,再計算油膜面積,最后計算分子直徑,d=×× m=5×10-10 m。
(3)油滴擴散為油膜時體積不變,并且讓油酸在水面上充分散開,形成單分子油膜,然后根據d=計算,跟分子的數量級無關,故選B。
(4)油酸未完全散開,S偏小,根據d=可知得到的分子直徑d將偏大。
導圖構建
2

展開更多......

收起↑