高二物理(人教版教科版通用)-用油膜法估测分子的大小教案

教案教学基本信息课题用油膜法估测分子的大小学科物理学段：高二下学期年级高二教材书名：普通高中课程标准实验教科书物理选修3-3出版社：人民教育出版社出版日期：2013年6月教学设计参与人员姓名单位设计者钱志华北京市第五中学实施者钱志华北京市第五中学指导者张思宇东城区教师研修中心课件制作者钱志华北京市第五中学其他参与者教学目标及教学重点、难点教学目标：1.知道油膜法测分子大小的原理，并能进行相关的测量和计算。2.通过油膜法实验使学生知道科学研究中的一种方法：利用宏观量求微观量。3.体会本实验的设计思路，增强实验探究过程中的实验设计能力。重点：用单分子油膜法测定分子大小的原理。难点：理解和学会用单分子油膜法估算分子大小（直径）的方法。教学过程(表格描述)教学环节主要教学活动设置意图用油膜法估测分子大小的原理实验原理：把一滴配制好的、一定体积浓度的油酸酒精溶液滴到水面上，利用油酸分子的特性使它在水面上形成单分子层油膜，用漂浮的粉粒来显示油膜的边界线，通过配液、注水、撒粉、滴液、描踪，即可估测出油酸分子的大小。师：同学们大家好，今天，我们一起来研究如何用油膜法估测分子的大小，我们的目的是通过实验估测出油酸分子直径的大小。下面我们先来了解一下实验原理。我们已经知道，物体都是由大量分子组成的。分子直径的数量级约为10-10m。这么小的分子，用一般的光学显微镜都看不到，我们能直接测量它们的直径吗？生：不能。师：请同学们思考下面的问题，或许会给我们一些启发。如果我们把常见的青豆看成一个个理想的球体，进而想测量一粒青豆的直径，同学们能想出什么办法呢？生：如果我们把青豆紧致的铺满在一个透明的、底面边长已知的长方体玻璃盒内，而且只铺底面一层；然后再用纱布把这些青豆包裹起来，浸入盛水的量筒中，就可以测出这些青豆的体积V；由底面边长可以计算出玻璃盒的底面面积S，根据数学公式d＝V/S，就可以估算出青豆的直径了！这样，我们就把不便于直接测量的微观量直径d，转换成了通过间接测量比较便于测量的宏观量体积V、面积S来实现。师：这真是个好办法！这其实是转化思想在物理研究中的应用，请同学们认真理解。现在，我们仿照这个思路，来估测一下油酸分子的直径大小。我们先来了解一下油酸分子的特性。这是油酸的分子式C17H33COOH，油酸常温下为液态。它的分子一端是易溶于水的羧基-COOH，另一端是不溶于水的烃基C17H33-。而油酸易溶于酒精，往水面上滴一滴一定浓度的油酸酒精溶液，酒精溶于水后，油酸平铺在水面上，形成了有自由边界的油膜，油膜充分扩展稳定后，可认为每个分子都直立在水面上，且形成的是单分子油膜。通过实验测出一滴溶液中纯油酸的体积V和油膜的面积S，由就可以估算出油膜的厚度d，这个厚度即是油酸分子的直径。1.引导学生理解实验原理；2.引导学生理解转化思想在物理研究中的应用：通过宏观量求微观量。3.通过类比和迁移测青豆直径的方法，测油酸分子的直径。测量一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积师：那么，如何测量一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积呢？为此，我们首先要测出一滴油酸酒精溶液的体积。但一滴溶液的体积很小，直接测量误差很大，怎么办？生：可以想办法测多滴的体积，然后除以滴数，就可以得到一滴溶液的体积了。师：很好！请同学们回忆一下，我们以前经常用什么方法测量微小量？在初中的时候，我们测量过一张纸的厚度，测量过细金属丝的直径，同学们还记得我们用的是什么样的方法吗？生：我们可以测出100张纸的厚度，除以张数100，就可以得到一张纸的厚度，我们把金属丝紧密绕在圆柱形铅笔上，用刻度尺测出紧密排列的金属丝的宽度，除以匝数，即可求得金属丝的直径。师：非常好！我们为什么要这样做呢？生：一张纸的厚度、金属丝的直径都是微小量，直接测误差会很大！我们这样做可以有效的减少误差。师：是的。这样做要比直接测量一张纸的厚度或直接测量金属丝的直径误差要小得多，这种方法就是我们物理研究中经常用到的“累积法”。至此，同学们应该已经知道如何求出一滴溶液的体积了。是的，我们可以取1mL溶液，进而数一下1mL溶液里有多少滴，若1mL溶液里有n滴，那么，每滴溶液的体积就是mL；再乘以溶液的体积浓度C，那么，（）就表示每滴溶液中纯油酸的体积V。复习用“累积法”测微小量的方法；迁移，并用来测量一滴溶液的体积。测油膜的面积S师：实验中的油酸薄膜是无色透明的，怎样才能看清它呢？生：是否可以想办法使它的轮廓更清楚一些？师：这是个很好的想法。为此，我们先将痱子粉或细石膏粉均匀撒在水槽的水面上，再将一滴油酸酒精溶液轻轻滴入水面中央，油酸立即在水面散开，形成一块薄膜，薄膜上没有痱子粉，可以清楚地看出它的轮廓。生：哇，这真个巧妙的办法！师：是的！遇到问题，我们就想办法去解决问题。待油膜形状稳定后，将事先准备好的透明塑料板轻放在水槽上，透明塑料板上有边长为1cm的小方格，在塑料板上用水彩笔描出油膜的边界轮廓，继而数出轮廓内的格数，注意，不足半格的舍去，多于半格的算一个，这就是物理研究中常用的“互补法”。格数与单个正方形的面积之积即是油膜的面积S。具体的操作方法参见实验操作视频。学生学习用“互补法”估算油膜面积。计算油酸分子的直径将测得的相关数据代入下面的公式，计算油酸分子的直径学生动手计算，将结果与分子直径的数量级进行比较，体会实验方法的正确性。对实验中所运用的思想方法及时进行总结提升师：请同学们回忆一下，我们是怎样得到分子直径的？生：我们通过对宏观量（V、S）的测量，实现了对微观量（d）的研究。师：很好！另外，需要说明的是，实际分子间存在间隙，结构也比较复杂，并非理想的球体。这里把油酸分子看成紧致排列的理想的球体，是对实际分子建立的一种简化模型，与我们前面学习过的质点、点电荷一样，都属于物理学中的理想模型。这种根据实验目的，抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想模型，从而分析、解决问题的思想方法，希望同学们在以后的学习和研究中有意识的去体会、运用。在这里，可以看作理想模型的思想方法在探索微观世界中的一次应用。实验目的抓住主要因素，忽略次要因素实验目的抓住主要因素，忽略次要因素建立模型分析、解决问题引领学生总结实验设计过程，提升学生实验设计的能力和建模能力。介绍实验目的、实验器材、主要实验步骤实验目的有两个：1.体会通过测量宏观量估算微观量的方法。2.学习估算油酸分子直径大小的数量级的方法。主要的实验器材：盛水浅盘（或水槽）、带方格的透明塑料盖板、水彩笔、真空取液枪（或滴管）、痱子粉（或细石膏粉）、油酸、无水乙醇、容量瓶一个、玻璃棒一根、烧杯若干。主要的实验步骤：1.配制1:200的油酸酒精溶液。2.测一滴油酸酒精溶液中所含油酸的体积。3.注水撒粉。4.滴液描踪。5.估算油膜的面积。6.估算油酸分子的大小。7.用酒精溶液清洗浅盘，擦去透明塑料板上的油膜轮廓线，重复步骤3-6，再做两次实验，取直径的平均值。实验的各步骤的操作方法具体的操作方法参见实验操作视频。学生了解实验目的、实验器材和主要的实验步骤。学生观看并学习相关视频操作，进行实验。对实验进行误差分析，进而提醒学生实验注意事项本实验的主要误差来源：1.配制的油酸酒精溶液的实际浓度和理论值间存在偏差；2.一滴油酸酒精溶液的实际体积和理论值间存在偏差；3.油酸在水面上的实际分布情况和理想中的“均匀”、“单分子层”间存在偏差；4.采用“互补法”（即不足半个舍去，多于半个的算一个）计算获得的油膜面积与实际的油膜面积间存在偏差。因此，同学们需要注意以下几点：1.油酸酒精溶液配制比例恰当；（如果溶液过浓，会比较难以形成单分子油膜；如果过稀，形成的油膜面积会过小，会造成较大的测量误差）2.量取1mL油酸酒精溶液后计量滴数时应尽量使每滴大小相同；3.往水面上洒痱子粉时要适量、均匀；4.要在油膜稳定后再画轮廓；5.计数面积时要耐心细致。引导学生分析实验误差，注意相关实验操作，提高实验精度。学习评价1.某同学在用油膜法估测分子直径的实验中，计算结果明显偏大，可能是由于（）A.油酸未完全散开B.油酸中含有大量的酒精C.计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格D.求每滴体积时，1mL的溶液的滴数多记了10滴【解答】根据实验原理可知，实验中应使油膜充分扩展，以保证形成单分子油膜。由此可知，选项A测得是多层油膜的厚度，故测量结果会明显偏大，A正确；本实验用的就是含有大量酒精的油酸酒精溶液，酒精易溶于水，对实验结果不会产生影响。因此，B中情形不会影响测量结果；根据估算面积时的“互补法”，要求“不足半格的舍去，多于半格的算一个”，所以C中做法导致测量面积偏小，由可知，结果会偏大，故C正确；对于D选项，会造成每滴溶液的体积测量值偏小，从而会使测量结果偏小。综上，选AC。2.在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，油酸酒精溶液的浓度为每104

mL溶液中有纯油酸6mL，用注射器测得1mL上述溶液中有液滴50滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，随后把玻璃板放在坐标纸上，其形状如图所示，坐标纸中正方形小方格的边长为20mm。求：（1）油膜的面积是多少？（2）每一滴酒精油酸溶液中含有纯油酸的体积是多少？（3）根据上述数据，估算油酸分子的直径是多少？【解答】（1）求油膜