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2022年高中物理“用油膜法估测分子大小”实验的几点释疑教案 新人教版必修2【内容提要】 高二物理教材“用油膜法估测分子大小”实验中,善于思考的学生会产生多个疑问,其中油酸的分子特性、油酸分子直径的测量值与一般分子数量级不符等内容,从教材上难于寻求答案,参考资料也不多,老师在上课时也较难回答。本文就这几个学生常遇到的问题,结合一定的化学和物理知识作一点解释,以求让学生较清楚地理解这个实验。【xx年四川省物理优秀论文评选】 “用油膜法估测分子大小”实验的几点释疑【内容提要】高二物理教材“用油膜法估测分子大小”实验中,善于思考的学生会产生多个疑问,其中油酸的分子特性、油酸分子直径的测量值与一般分子数量级不符等内容,从教材上难于寻求答案,参考资料也不多,老师在上课时也较难回答。本文就这几个学生常遇到的问题,结合一定的化学和物理知识作一点解释,以求让学生较清楚地理解这个实验。高中物理第二册“用油膜法估测分子大小”的学生实验,原理巧妙,用宏观上的一个简易原理便可测算出微观上的分子大小,本实验对学生思维开拓有很好的帮助。虽然原理并不复杂,教材描述也非常全面,但教材描述较为扼要,多处是点到即止,按教材要求,只要细心,多数学生能很顺利地完成实验,而善于思考的学生则会产生疑问,本文就学生常见的几个问题进行一下解释: 疑问一:为什么选择油酸,而不选择其它生活中常见的如植物油之类的油?提这类问题的学生主要是在家里用简易条件做这个实验,但实验效果不好。如果只考虑油酸液体的诸如密度、表面张力系数、不溶于水等因素,那么多种油类都可以。之所以选择油酸,除了上述因素之外,主要是因为油酸特殊的分子结构。油酸的分子式为C17H33COOH,分为“C17H33”和“COOH”两部分,其中“COOH”是亲水基,而“C17H33”是憎水基,分子是一个长柱形(结构如图1),当油酸滴到水面时,亲水基浸在水中,而憎水基浮于水面,油酸分子竖起来(图2),有亲水基作“砣”,浮在水面之上的憎水基会因为分子间作用力而一个挨一个排列,不会重叠,所以会形成一层稳定的单分子纯油酸膜。主要是因为这种特性,所以我们选用油酸来估测分子大小。亲水基憎水基图1:结构图 亲水基憎水基图2:简化示意图水面 疑问二:为什么要稀释油酸?这个问题,需要作一点估算来解释。以一滴纯油酸的体积为0.01mL、分子直径为110-9m来估算,一滴纯油酸在水面扩展的单分子油膜面积大约为10m2,面积太大,在实验室测量不便,所以要稀释。疑问三:为什么要在水面撒上痱子粉?这个疑问往往在实验之前产生,在实验中自然会发现撒上痱子粉的原因。因为油酸是无色透明的,撒上痱子粉主要是显现油膜边缘轮廓,以便勾勒。要让实验的效果好,痱子粉一定要撒均匀。疑问四:为什么油膜扩展后会迅速收缩?因为油酸是由酒精稀释的,刚扩展时,油酸分子会被酒精分子隔开,当酒精迅速溶于水和挥发后,被酒精分子隔开的油酸分子迅速靠拢,因而面积会收缩,所以一定要在油膜形状稳定后才能进行形状勾勒。油酸能溶于醇、醚、苯、汽油、三氯甲烷等有机溶剂,也正是因为酒精能很快溶于水和挥发,所以通常选择酒精作为稀释油酸的溶剂。因为酒精的挥发性,配制好后的油酸酒精溶液要密封,且不能搁置太久,否则因为酒精挥发,油酸体积比浓度会升高。疑问五:实验要求计算正方形个数时,不足半个的舍去,多于半个的算一个,但在做实验练习题时,为何总是算少了?不足半个的舍去,多于半个的算一个,主要是拼凑,练习时算少了,主要是对大约半个的判断不准,方法是不必计较大约半个的是多出还是不足,两个拼一个,即数一个丢一个。同时,做练习题时,数了的格子,用笔标一个点,以免数重复或是数漏掉。 疑问六:估测结果的数量级往往是10-9m,而教材上提到分子直径的数量级是10-10 m,是不是实验不准的原因?长度数量级为10-9 m宽度数量级为10-10 m图3:长与宽的数量级 这个实验是估测实验,因为分子间有空隙,并且体积测量和面积测量还有一定的误差,但这些因素不致于一定要影响到数量级。更为主要的原因是,油酸分子是柱形,本实验测量的单分子油膜厚度是柱形的长度,而不是宽度,长度大约是宽度的10倍左右,宽度的数量级是10-10 m,而长度的数量级是10-9 m,油酸分子长度的公认值为1.1210-9 m。参考文献:全日制普通高级中学教科书(必修加选修) 化学第二册第五章和第六章物理教学2003年第2期为何多用油酸估测分子直径,作者:周栋梁教学仪器与实验xx年第6期油膜法实验的三大悬念,作者:陈春丽
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