實(shí)驗(yàn)十九　用油膜法估測(cè)油酸分子的大小-2025屆高中物理

第十五章熱學(xué)實(shí)驗(yàn)十九用油膜法估測(cè)油酸分子的大小2023年高考中北京T15（1）、浙江6月T16－Ⅲ均涉及對(duì)該實(shí)驗(yàn)的考查，主要考查實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等.近年高考對(duì)實(shí)驗(yàn)探究越來(lái)越注重，預(yù)計(jì)2025年高考該實(shí)驗(yàn)可能會(huì)以選擇題形式或者與其他小實(shí)驗(yàn)綜合考查.1.注意事項(xiàng)（1）將所有的實(shí)驗(yàn)用具擦洗干凈，不能混用.（2）油酸酒精溶液的濃度以小于0.1％為宜.（3）淺盤(pán)中的水離盤(pán)口面的距離應(yīng)較小，并要水平放置，以便準(zhǔn)確地畫(huà)出薄膜的形狀，畫(huà)線(xiàn)時(shí)視線(xiàn)應(yīng)與板面垂直.2.誤差分析（1）純油酸體積的計(jì)算引起誤差.（2）對(duì)油膜形狀畫(huà)線(xiàn)時(shí)帶來(lái)誤差.（3）數(shù)格子法本身是一種估算的方法，從而會(huì)帶來(lái)誤差.命題點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)原理及操作1.某實(shí)驗(yàn)小組利用圖中的器材，進(jìn)行“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”的實(shí)驗(yàn).（1）該實(shí)驗(yàn)中的理想化假設(shè)是（ABD）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)中使用的是油酸酒精溶液，其中酒精的作用是（D）A.使油酸的油膜邊界輪廓清晰B.使油酸的顏色更加透明C.有助于測(cè)量一滴油酸的體積D.對(duì)油酸溶液起到稀釋作用（3）測(cè)量一滴油酸酒精溶液的體積時(shí)，為了減小誤差而巧用的方法是（C）A.控制變量法 B.建模法C.累積法 D.歸納法（4）實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)偏大，可能是由于（D）A.油膜中含有大量未溶解的酒精B.將全部不完整的方格作為完整方格計(jì)算油膜面積C.油酸酒精溶液久置，酒精揮發(fā)使溶液的濃度發(fā)生了變化D.水面上痱子粉撒得較多，油膜沒(méi)有充分展開(kāi)解析（1）用油膜法估測(cè)油酸分子的直徑時(shí)，不考慮油酸分子間的間隙，將油膜看成單分子層油膜，以及將油酸分子看成球形.故選ABD.（2）實(shí)驗(yàn)中使用的是油酸酒精溶液，其中酒精的作用是對(duì)油酸溶液起到稀釋作用.故選D.（3）測(cè)量一滴油酸酒精溶液的體積時(shí)，先是測(cè)量多滴溶液的總體積，然后以總體積比總滴數(shù)，可知為了減小誤差而巧用的方法是累積法.故選C.（4）油膜中含有大量未溶解的酒精，導(dǎo)致油膜面積偏大，根據(jù)d＝VS可知，實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)偏小，故A錯(cuò)誤；將全部不完整的方格作為完整方格計(jì)算油膜面積，導(dǎo)致油膜面積偏大，根據(jù)d＝VS可知實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)偏小，故B錯(cuò)誤；油酸酒精溶液久置，酒精揮發(fā)使溶液的濃度變大，若仍然按較小濃度運(yùn)算，則得到的純油酸體積偏小，根據(jù)d＝VS可知，實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)偏小，故C錯(cuò)誤；水面上痱子粉撒得較多，油膜沒(méi)有充分展開(kāi)，測(cè)得的油膜面積偏小，根據(jù)d＝VS命題點(diǎn)2數(shù)據(jù)處理及誤差分析2.在“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”的實(shí)驗(yàn)中，將1mL的純油酸配制成5000mL的油酸酒精溶液，用注射器測(cè)得1mL溶液為80滴，再滴入1滴這樣的溶液到準(zhǔn)備好的淺盤(pán)中，描出的油膜輪廓如圖所示，每格邊長(zhǎng)是0.5cm，根據(jù)以上信息，回答下列問(wèn)題：（1）1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為2.5×10－6mL.（2）油膜的面積為35cm2.（3）油酸分子的直徑約為7×10－10m.（結(jié)果保留1（4）從油酸酒精溶液滴入淺盤(pán)到油膜穩(wěn)定過(guò)程中，油膜的面積大小變化情況是先變大后變小.（5）甲、乙、丙三位同學(xué)分別在三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組做“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)，但都發(fā)生了操作錯(cuò)誤.其中會(huì)導(dǎo)致所測(cè)的分子直徑d偏小的是A.A.甲同學(xué)在配制油酸酒精溶液時(shí)，不小心把酒精倒少了一點(diǎn)，導(dǎo)致油酸酒精溶液的實(shí)際濃度比計(jì)算值大一些B.乙在計(jì)算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液體積后，不小心拿錯(cuò)了一個(gè)注射器把溶液滴在水面上，這個(gè)拿錯(cuò)的注射器的針頭比原來(lái)的細(xì)，每滴油酸酒精溶液的體積比原來(lái)的小C.丙在計(jì)算油膜面積時(shí)，把凡是不足一格的油膜都不計(jì)，導(dǎo)致計(jì)算的面積比實(shí)際面積小一些解析（1）一滴油酸酒精溶液中含純油酸的體積V＝180×15000mL＝2.5×10－（2）由題圖油膜可知，油膜所占坐標(biāo)紙的格數(shù)約140個(gè)，油膜的面積為S＝140×0.5×0.5cm2＝35cm2.（3）油酸分子的直徑約為d＝VS≈7×10－10（4）從油酸酒精溶液滴入淺盤(pán)到油膜穩(wěn)定過(guò)程中，由于酒精的揮發(fā)，油膜的面積大小變化情況是先變大后變小.（5）甲同學(xué)在配制油酸酒精溶液時(shí)，不小心把酒精倒少了一點(diǎn)，導(dǎo)致油酸酒精溶液的實(shí)際濃度比計(jì)算值大了一些，算出的一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積比實(shí)際值小，由d＝VS，可知所測(cè)的分子直徑d偏小，A正確；乙同學(xué)在計(jì)算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液體積后，不小心拿錯(cuò)了一個(gè)注射器把溶液滴在水面上，這個(gè)拿錯(cuò)的注射器的針頭比原來(lái)的細(xì)，一滴油酸酒精溶液的實(shí)際體積變小，一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積變小，對(duì)應(yīng)的油膜面積S變小，但體積V還是按原來(lái)的計(jì)算的，由d＝VS，可知所測(cè)的分子直徑d偏大，B錯(cuò)誤；丙在計(jì)算油膜面積時(shí)，把凡是不足一格的油膜都不計(jì)，導(dǎo)致計(jì)算的面積比實(shí)際面積小一些，由d＝VS，可知所測(cè)的分子直徑d偏大，1.關(guān)于“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)，下列選項(xiàng)正確的是A.A.將油膜看作單層分子薄膜，且不考慮油酸分子間的空隙B.利用畫(huà)有油膜輪廓的坐標(biāo)方格計(jì)算油膜面積時(shí)，舍去所有不足一格的方格C.測(cè)一滴油酸酒精溶液的體積時(shí)，只需將其滴入量筒即可D.若油酸未完全散開(kāi)，會(huì)使測(cè)出的分子直徑偏小解析將油膜看作單層分子薄膜，且不考慮油酸分子間的空隙，所以A正確；利用畫(huà)有油膜輪廓的坐標(biāo)方格計(jì)算油膜面積時(shí)，舍去所有小于半格的方格，大于等于半格的算1格，所以B錯(cuò)誤；測(cè)一滴油酸酒精溶液的體積時(shí)，需采用累積法以減小誤差，所以C錯(cuò)誤；若油酸未完全散開(kāi)，則測(cè)量的油膜面積會(huì)偏小，根據(jù)d＝VS知，測(cè)出的分子直徑偏大，所以D錯(cuò)誤2.在“用單分子油膜估測(cè)分子直徑”的實(shí)驗(yàn)中，均勻撒痱子粉有利于形成邊界清晰的油膜，便于記錄數(shù)據(jù).將體積為V的油酸酒精溶液滴在水面上，油膜充分散開(kāi)后面積為S，溶液的濃度為η，則估算該分子的直徑為ηVS解析均勻撒下的痱子粉可以約束油膜表面的擴(kuò)張，形成邊界清晰的油膜.濃度為η、體積為V的油酸酒精溶液中，純油酸的體積為ηV，油酸分子的直徑等于油膜的厚度d＝ηVS3.油酸酒精溶液的濃度為每1000mL油酸酒精溶液中有油酸0.5mL，用注射器吸取1mL油酸酒精溶液，把該溶液滴入燒杯內(nèi)，總滴數(shù)為50滴.若把一滴這樣的溶液滴入盛水的淺盤(pán)（已撒痱子粉）中，由于酒精溶于水，油酸在水面展開(kāi)，穩(wěn)定后形成單分子油膜的形狀如圖所示.（以下計(jì)算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（1）若每一小方格的邊長(zhǎng)為10mm，則油酸薄膜的面積約為8.0×10－3（7.8×10－3～8.2×10－3均可）m2.（2）每一滴油酸酒精溶液含有純油酸的體積為1.0×10－11m（3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估算出油酸分子的直徑為1.3×10－9（或1.2×10－（4）為了盡可能準(zhǔn)確地估測(cè)出油酸分子的大小，下列可行的措施是BD（填選項(xiàng)前的字母）.A.油酸酒精溶液的濃度適當(dāng)大一些B.油酸酒精溶液的濃度適當(dāng)小一些C.油酸擴(kuò)散后立即繪出輪廓圖D.油酸擴(kuò)散并待其收縮穩(wěn)定后再繪出輪廓圖解析（1）每個(gè)小方格的面積為S1＝（10mm）2＝1×10－4m2，面積超過(guò)小方格面積一半的小方格的個(gè)數(shù)約為80個(gè)，則油酸薄膜的面積約為S＝80S1＝80×10－4m2＝8.0×10－3m2.（2）每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積為V＝0.51000×50mL＝1.0×10－11（3）把油酸分子看成球形，且不考慮分子間的空隙，則分子的直徑為d＝VS＝1.0×10－118.（4）為能形成單分子油膜，油酸酒精溶液的濃度應(yīng)適當(dāng)小些；繪制輪廓圖應(yīng)在油酸擴(kuò)散穩(wěn)定后進(jìn)行.故選B、D.4.在“用油膜法估測(cè)油酸分子大小”的實(shí)驗(yàn)中，所用的油酸酒精溶液的濃度為每1000mL溶液中有純油酸0.5mL，用注射器測(cè)得1mL上述溶液有80滴，把1滴該溶液滴入盛水的撒有爽身粉的淺盤(pán)中，待水面穩(wěn)定后，得到油酸薄膜的輪廓形狀和尺寸如圖所示，圖中正方形格的邊長(zhǎng)為1cm，則可求得：（1）油酸薄膜的面積為71（69～73均可）cm2.（2）油酸分子的直徑為8.8×10－10（8.6×10－10～9.1×10－10均可）m（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）.（3）某同學(xué)實(shí)驗(yàn)中最終得到的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)偏大，可能是由于CD（填選項(xiàng)前的字母）.A.油膜中含有大量未溶解的酒精B.計(jì)算油膜面積時(shí)，錯(cuò)將全部不完整的方格作為完整方格處理C.計(jì)算油膜面積時(shí)，舍去了所有不足一格的方格D.水面上爽身粉撒得較多，油膜沒(méi)有充分展開(kāi)（4）利用單分子油膜法可以粗測(cè)分子大小和阿伏加德羅常數(shù).如果已知體積為V的一滴油酸在水面上散開(kāi)形成的單分子油膜的面積為S，這種油酸的密度為ρ，摩爾質(zhì)量為M，則阿伏加德羅常數(shù)的表達(dá)式為6MS3πρV3（5）本實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的物理思想方法為B（填選項(xiàng)前的字母）.A.控制變量法 B.理想模型法C.極限思維法 D.整體與隔離法解析（1）輪廓包圍的方格約為71個(gè)，故油酸薄膜的面積為S＝71×1×1cm2＝71cm2.（2）每滴溶液中含有純油酸的體積為V＝180×0.51000mL＝6.25×10－6mL，油酸分子的直徑為d＝VS＝8.8（3）如果油膜中含有大量未溶解的酒精，導(dǎo)致油膜的實(shí)際面積比統(tǒng)計(jì)面積小，計(jì)算時(shí)采用統(tǒng)計(jì)的油膜面積S偏大，由d＝VS可知，油酸分子直徑d的計(jì)算值將比真實(shí)值偏小，故A錯(cuò)誤；計(jì)算油膜面積時(shí)，如果錯(cuò)將全部不完整的方格作為完整方格處理，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的油膜面積比實(shí)際面積大，油酸分子直徑的計(jì)算結(jié)果將偏小，故