高中物理选修33油膜法估测分子大小实验中的若干问题的探究

1、.分子动理论是从微观角度认识热现象本质的根底理论，高中物理课程标准要求：“认识分子动理论的根本观点，知道其实验根据。高中学生在学习分子动理论时，他们首先提到的问题往往是：既然物质是由分子组成的，那么一个分子到底有多大呢？假如老师答复说，普通的分子是非常小的，假设把它看成球形，直径大约是10 - 10m。这样答复还不可以满足学生的好奇心和求知欲，而油膜法估测油酸分子大小的实验，既能让学生感知分子的大小，又能使学生体会估测法在物理学中威力和应用。该实验的施行步骤和本卷须知等教学内容，在许多文章中已有详细的阐述，本文重点讨论的是，学生在实验过程中发现的一些奇异现象和提出的一些有趣问题，而这些现象和问

2、题，往往容易被我们老师所无视。问题1：为什么要配制一定浓度的油酸溶液？在本实验中，一般是由老师提供配制好的油酸酒精溶液，并告诉学生油酸和酒精的体积比是多少，这样可以节省实验时间。 学生通常会问，为什么不直接用油酸？老师就可以趁这个时机向学生介绍估测法在该实验中的应用，浸透科学方法的教育。 如今已经知道分子的直径大约是10 - 10m，而一滴油酸的体积注射器5 号针头下的大约有4 ×10 - 3cm3每0. 4cm3 的油酸大约有100 滴 ，假如这滴油酸铺成单分子膜，膜的面积是 ，实验室没有这么大的盆，做起实验来很不方便，因此要稀释。实验室提供的盆的面积一般是30cm &#

3、215;30cm = 900cm2 ，假如要将整个盆铺满，所需油酸的体积大约是V 2 =S2 d = 900 cm2 ×10 - 7cm =  9 ×10 - 5cm3  ，  ，这是我们按普通的分子大小估算出的体积比，而实际上油酸的分子比普通分子大些，而且考虑到油酸的浓度对测量结果的影响，当油酸的浓度越小时，油酸形成单分子膜后，分子间的间隙越大，分子占据的面积越大，使得测量值远小于真实值。在本实验中油酸酒精的体积比选择1/ 200 较为适宜。问题2：油酸溶液滴入水中后，水面上的滑石粉为什么会迅速扩散开？油酸是一种有机酸，分子式为C17 H33

4、COOH，它的分子可以看作一圆柱模型，一端是羧基- COOH，与水有很强的亲和力而被水吸引，另一端- C17 H33与水没有亲和力要冒出水面，因此油酸滴到水面后趋于均匀的扩散到水面，同时油酸滴到水中后，降低了水的外表张力系数，油酸所在处的外表张力小于油酸未到处的外表张力，滑石粉在周围水的外表张力的作用下迅速聚集成一条轮廓线。此时的液面有点像一面绷紧的橡皮膜，橡皮膜的中间一旦破裂开后，将迅速向两边收拢。类似的现象可以从以下简单的实验中观察到，把两根火柴平行放在静止的水面上，在两根火柴的中间滴上一滴油酸溶液，火柴会向两边分开。假如用洗涤剂代替油酸溶液，火柴棒也会分开，这是因为洗涤剂也会降低火柴间液

5、体的外表张力，火柴在另外两边外表张力的作用下被拉开。 问题3：油酸酒精溶液滴入水中后，发现油膜的面积开场比较大，紧接着迅速变小，然后稳定下来，这是为什么？油酸溶液中含有大量的酒精，油酸溶液滴入水中后，开场在水面形成的液膜的面积比单纯的油膜面积要大，随着酒精在水中的溶解和在空气中的蒸发，最后显示出的油膜面积会缩小。 这也可用实验来验证，换用体积比相差很大的不同的油酸溶液重复实验，可以发现油膜的这种收缩现象有明显的差异，当降低油酸溶液的浓度后，这种收缩现象会加强;增大油酸溶液的浓度后，这种收缩现象会减弱;假如用纯油酸，很难观察到这种收缩现象。问题4：把装有油酸溶液的注射器的针头接近洒有滑石粉的水面

6、时，水面上的粉屑就开场以针头下方的中心向外挪动，油滴还未滴入水中，为什么粉屑就有明显的挪动呢？这种细微的现象要在实验室温度较高时才容易观察到。针头上汽化的酒精蒸气扩散到下方的水面上，从而使这部分水的外表张力变小，在周围水面外表张力的作用下，粉屑向外挪动。假如用塑料帽套在针头上，这种现象就观察不到了；假如注射器中吸入的是水，也观察不到这种现象；在注射器中吸入纯的酒精，当针头靠近液面时，粉屑又向外挪动开去。问题5：为什么油膜外表看起来很昏暗呢？油酸铺到水面形成单分子膜时，会发生干预现象，由于单分子膜的厚度非常薄，从油膜上下外表反射的光发生相消干预，光的强度减弱，因此油膜看起来比较昏暗，在实验中即使

7、不用滑石粉，由于油膜比水面暗些，仔细观察也能将油膜和水面分开。假如油酸不稀释，直接滴入水中，还会在油面上观察到彩色的花纹，这是因为油酸过多时，它在扩散过程中会使得油膜太厚且厚度不均匀，白光照在厚度不均匀的油膜上，会发生不同频率的相长干预和相消干预，于是在油膜上就出现了彩色的花纹。上述的一些现象和问题，在我们老师看来可能是意料之外的，正是这些意料之外的现象和问题，却往往被那些擅长观察和考虑的同学所发现，每当他们问起这些“题外话，我们老师是不是也要履行“解惑的职责呢？有人说，意料之外的现象才是未知世界送出的橄榄枝，只有抓住它，才会有惊人的回报、持续的发现。从实验中的奇异现象入手，开展学生的科学探究

8、兴趣，不也是落实新课程目的的一条途径吗。实验设计的技巧 本实验以102m数量级的测量来估计1010m数量级的分子大小，这个实验中有独特的设计技巧1三种液体的选择 为什么要选择这三种液体?首先，油酸、酒精、水具有不同的溶解性，油酸易溶入酒精而不溶入水，酒精易溶入水，所以，可以使油酸溶入酒精制成油酸酒精溶液，而将溶液滴入水中时，由于酒精易溶入水，这样，在水面上的就只有油酸了其次，油酸分子由两部分组成，一部分C17H33是不饱和烃具有憎水性，而另一部分是一COOH对水有很强的亲和力这样，当油酸在水面上时其中C17H33一部分露出水面，另一部分COOH那么漫在水中，油酸分子直立在水面上所以，能形成一个单分子层油膜另外，酒精具有易挥发性，而油酸不挥发，当油酸酒精溶液滴到水面上时，酒精不但溶于水中而且挥发到空气中，而只有油酸留在了水面上2滴到水面上的油酸体积很小实验中如何保证滴到水面上的油酸体积很小，使油酸在水面上形成的油膜面积不要太大实验中采用的方