第十五章　热学第78课时　热学实验　实验增分课教师用

第78课时热学实验[实验增分课]一、用油膜法估测油酸分子的大小装置原理利用油酸在水面上形成一层单分子油膜来估测分子的大小（油酸分子简化成球形）操作要领数据处理注意事项（1）倒水、撒爽身粉（痱子粉）。（2）测出1滴油酸溶液的体积。（3）滴一滴油酸就在水面上形成如图乙所示形状的一层纯油酸薄膜。（4）用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃上。（5）将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S（1）根据配制的油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V。（2）根据一滴油酸的体积V和薄膜的面积S，即可算出油酸薄膜的厚度，即油酸分子的大小（1）在有机玻璃板上描绘轮廓时动作轻而迅速，眼睛视线要始终与玻璃垂直。（2）本实验只要求估算油酸分子的大小，实验结果数量级符合要求即可二、探究气体等温变化的规律装置原理操作要领控制气体质量和温度不变，研究气体压强与体积的关系（1）安装器材，设计表格记录数据。（2）注射器两端有柱塞和橡胶套，管内密封一段空气柱。（3）用手把柱塞向下压，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。计算出气体体积，也可以直接用刻度尺读数作为空气柱体积。（4）以压强p为纵坐标，以体积的倒数1V为横坐标，描点作图，确定p与1注意事项误差分析（1）适用条件是温度保持不变，所以操作要缓慢，才能保证温度不变。（2）要等到示数稳定之后，再去读数。（3）研究对象为一定质量的气体，防止漏气（1）实验的过程中存在漏气现象会造成误差，在实验的过程中要保证橡胶套的气密性。（2）下压柱塞或上拉柱塞过快，会造成气体温度增加，引起实验误差。（3）在读压力表和刻度尺示数时都会引起读数误差，因此要多测几次取平均值【典例1】在“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中，所用的油酸酒精溶液的浓度为每1000mL溶液中有纯油酸0.5mL，用注射器测得1mL上述溶液有80滴，把1滴该溶液滴入盛水的撒有爽身粉的浅盘中，待水面稳定后，得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示，图中正方形格的边长为1cm，则可求得：（1）油酸薄膜的面积是71cm2；（2）油酸分子的直径是8.8×10－10m；（结果保留两位有效数字）（3）某同学实验中最终得到的计算结果数据偏大，可能是由于CD；A.油膜中含有大量未溶解的酒精B.计算油膜面积时，错将全部不完整的方格作为完整方格处理C.计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格D.水面上爽身粉撒得较多，油膜没有充分展开（4）利用单分子油膜法可以粗测分子大小和阿伏加德罗常数。如果已知体积为V的一滴油酸在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S，这种油酸的密度为ρ，摩尔质量为M，则阿伏加德罗常数的表达式为6MS3π（5）本实验体现的物理思想方法为B。A.控制变量法 B.理想化模型C.极限思想法 D.整体法与隔离法难点助攻第（1）问求解油膜面积的关键：在数轮廓包围的方格的个数时，要注意超过半格的计为“1”、不足半格的计为“0”。第（3）问分析“计算结果数据偏大”的误差原因时，应该根据油酸分子直径的计算公式d＝VS，分析引起V偏大或S解析：（1）轮廓包围的方格约为71个，故油酸薄膜的面积为S＝71×1×1cm2＝71cm2。（2）每滴溶液中含有纯油酸的体积为V＝180×0.51000mL＝6.25×10－6mL，油酸分子的直径为d＝VS≈（3）如果油膜中含有大量未溶解的酒精，导致油酸的实际面积比统计面积小，计算时采用统计的油酸面积S偏大，由d＝VS可知，油酸分子直径d的计算值将比真实值偏小，故A错误；计算油膜面积时，如果错将全部不完整的方格作为完整方格处理，导致统计的油膜面积比实际油膜面积大，计算结果将偏小，故B错误；如果计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格，导致统计的油膜面积偏小，计算结果将偏大，故C正确；如果水面上爽身粉撒得较多，油酸没有充分展开，导致统计的油酸面积比充分展开的油酸面积小，计算结果将偏大，故D（4）油酸分子个数为N＝V43πV2S3个，油酸分子的物质的量为n＝ρVM，（5）实验中把油酸分子简化为球形，忽略分子间隙，并且认为油膜为单层分子，是一种理想化模型，故选B。【典例2】某实验小组用如图甲所示的实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律。（1）关于该实验，下列说法正确的是D。A.实验前应将注射器内的空气完全排出B.空气柱体积变化应尽可能快些C.空气柱的压强随体积的减小而减小D.作出p-1V图像可以直观反映出p与V（2）为了探究气体在不同温度时发生等温变化是否遵循相同的规律，他们进行了两次实验，得到的p-V图像如图乙所示，由图可知两次实验气体的温度大小关系为T1＞（选填“＜”“＝”或“＞”）T2。（3）另一小组根据实验数据作出的V-1p图线如图丙所示，若他们的实验操作无误，造成图线不过原点的原因可能是实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积难点助攻第（3）问中分析V-1p图线不过原点的可能原因：测量封闭气体的体积时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积，解析：（1）实验是以注射器内的空气为研究对象，所以实验前注射器内的空气不能完全排出，故A错误；空气柱的体积变化不能太快，要缓慢移动柱塞保证气体温度不变，故B错误；气体发生等温变化，空气柱的压强随体积的减小而增大，故C错误；p-1V图像中等温线是一条倾斜的直线，作出p-1V图像可以直观反映出p与V的关系，故（2）在p-V图像中，离坐标原点越远的等温线温度越高，故T1＞T2。（3）图线不过原点的原因可能是实验测量的气体的体积小于实际的封闭气体的体积，结合实验的器材可知，实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积。【典例3】某同学通过图甲所示的实验装置，利用玻意耳定律来测定一颗形状不规则的石子的体积。实验步骤：①将石子装进注射器，插入活塞，再将注射器通过软管与传感器A连接；②移动活塞，通过活塞所在的刻度读取了多组气体体积V，同时记录对应的传感器数据；③建立直角坐标系。（1）在实验操作中，下列说法正确的是AC；A.图甲中，传感器A为压强传感器B.在步骤①中，将注射器与传感器A连接前，应把注射器活塞移至注射器最右端位置C.操作中，不可用手握住注射器封闭气体部分，是为了保持封闭气体的温度不变D.若实验过程中不慎将活塞拔出注射器，应立即将活塞插入注射器继续实验（2）为了在坐标系中获得直线图像，若取y轴为V，则x轴为1p（选填“1p”或“p（3）选择合适的坐标后，该同学通过描点作图，得到的图像如图乙所示，若不考虑传感器和注射器连接处的软管容积带来的误差，则石子的体积为b；若考虑该误差影响，测得软管容积为V0，则石子的体积为b＋V0。3步稳解题①实验目的是什么？测定一颗形状不规则的石子的体积。②实验原理是什么？玻意耳定律、间接测量法。③怎样处理数据？利用V-1p解析：（1）该气体发生等温变化，从注射器的刻度上读出体积，因此传感器A为压强传感器，A正确；在步骤①中，将注射器与传感器A连接前，应使注射器封住一定质量的气体，因此不必将活塞移至注射器最右端，B错误；操作中，不可用手握住注射器封闭气体部分，是为了保持封闭气体的温度不变，C正确；若实验过程中不慎将活塞拔出注射器，气体的质量发生变化，因此以上数据全部作废，应重新做实验，D错误。（2）作出图像为一条直线，根据玻意耳定律pV＝C可知，x轴应为1p（3）设石子体积为V1，对一定质量的气体，根据玻意耳定律可得p（V－V1）＝C，整理得V＝Cp＋V1，因此可得V1＝b；软管容积为V0不能忽略，则表达式为p（V＋V0－V1）＝C，整理得V＝Cp＋V1－V0，可知V1－V0＝b，故V1＝b＋V1.（1）如图1反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的4个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是bcad（用符号表示）；（2）在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每1000mL溶液中有0.6mL油酸。用注射器测得1mL上述溶液有75滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，画出油膜的形状。如图2所示，坐标纸中正方形方格的边长为1cm，试求：①油酸膜的面积是134（132～136均可）cm2；②每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是8×10－12m3；③按以上实验数据估测出油酸分子的直径是6×10－10m。（结果保留一位有效数字）（3）若阿伏加德罗常数为NA，油酸的摩尔质量为M。油酸的密度为ρ。则下列说法正确的是B。A.1kg油酸所含有分子数为ρNAB.1m3油酸所含分子数为ρC.1个油酸分子的质量为ND.油酸分子的直径约为3解析：（1）用“用油膜法估测分子的大小”的实验步骤为：配制油酸酒精溶液→测定一滴油酸酒精溶液的体积→准备浅水盘→形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积→计算分子直径。因此操作先后顺序排列应是bcad。（2）①图中油膜中大约有134个小方格，则油酸膜的面积为S＝134×12cm2＝134cm2。②每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为V0＝0.61000×1×10－675③油酸分子的直径为d＝V0S＝8×10－12134×（3）1kg油酸所含有分子数为n＝1MNA＝NAM，故A错误；1m3油酸所含分子数为n＝1MρNA＝ρNAM，故B正确；1个油酸分子的质量为m0＝MNA，故C错误；设油酸分子的直径为d，则有43πd2.用图甲所示装置探究气体等温变化的规律。（1）实验中，为找到体积与压强的关系，不需要（选填“需要”或“不需要”）测空气柱的横截面积；（2）关于该实验的操作，下列说法正确的有AB；A.柱塞上应该涂油B.应缓慢推拉柱塞C.用手握着注射器推拉柱塞D.注射器必须固定在竖直平面内（3）测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，以p为纵坐标，1V为横坐标，在坐标系中描点作图。小明所在的小组不断压缩气体，由测得的数据发现p与V的乘积值越来越小，则用上述方法作出的图像应为图乙中的②（选填“①”或“②”），造成该现象的原因可能是漏气解析：（1）由于注射器的横截面积相等，所以在此可用长度代替体积，故不需要测空气柱的横截面积。（2）柱塞上涂油，既减小摩擦，又防止漏气，故A正确；若急速推拉柱塞，则有可能造成漏气、气体温度变化，所以应缓慢推拉柱塞，故B正确；手握注射器会造成温度变化，故C错误；压强由压力表测量，不是由竖直的平衡条件计算，所以不需要竖直放置，故D错误。（3）由pVT＝C，可得p＝CT×1V，则p-1V图像的斜率为k＝CT，则温度相同时，质量越小，则图像的斜率越小，图像将向下弯曲，图②3.为了研究大气压强随高度的变化规律，某实验小组设计了如图所示的实验装置：在一个密闭的玻璃瓶的塞子上插入一根两端开口且足够长的细玻璃管，瓶内有一定质量的水和空气。由于内外压强差，细玻璃管内水面a与瓶内有一定的高度差。该小组成员在某栋17层高的楼内进行实验，每层楼的高度均为4m，一楼地板与地面平齐。实验时，他们先将装置放在一楼地板上，水柱稳定后记录细玻璃管内水面a与瓶内水面间的高度差h，然后在不同的楼层重复上述操作，记录多组高度差h的值。下表为他们记录的实验数据（不计水面升降引起的瓶内空气体积和温度的变化，不考虑毛细现象，水银的密度是水的密度的13.6倍）。楼层147101316h/mm214.1227.7241.5255.1268.5282.0（1）分析这些数据可以发现，高度每升高12m，大气压强约减小1mmHg。（保留一位有效数字）（2）通过数据分析该小组成员选择瓶内装水而不装水银的主要原因是水密度比水银密度小，压强变化相同时，水的高度差更明显。（3）小组成员想用此装置来测量某座山的高度，他们先将此装置放在温度为27℃、大气压强为750mmHg的山脚下A处，测得瓶内水面间的高度差h＝204.0mm。然后将装置移到山顶的B处，待稳定后发现高度差变为272mm，已知该山山顶比山脚的温度低6℃，则B处到A处的竖直高度差为243.6m。（保留一位小数）解析：（1）根据数据可得水面平均升高13.58mm，则由Δh＝Δp水可得Δh水银＝ρ水ρ水银Δh水＝113即大气压强约减小1mmHg。（2）因为水的密度比水银的密度小，所以压强变化相同时，水的高度差更明显。（3）由等温变化p1T可得p2＝750+204＝749.7mmHg。则B处的大气压为p0'＝p2－h213.6＝则B处到A处的竖直高度差为ΔH＝p0－p0'1.（2023·江苏高考9题）在“探究气体等温变化的规律”的实验中，实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是（）A.把柱塞快速地向下压B.把柱塞缓慢地向上拉C.在橡胶套处接另一注射器，快速推动该注射器柱塞D.在橡胶套处接另一注射器，缓慢推动该注射器柱塞解析：B探究气体等温变化规律，要求气体质量一定，橡胶套可确保密封良好，C、D错误；缓慢移动柱塞，保持气体温度不变，A错误，B正确。2.某同学在实验室用油膜法测油酸分子直径。（1）该实验的科学依据是ABD。A.将油膜看成单分子油膜B.不考虑各个油酸分子间的间隙C.考虑各个油酸分子间的间隙D.将油酸分子看成球形（2）实验主要步骤如下：①向体积V油＝6mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝104mL；②用注射器吸取①中油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n＝75滴时，测得其体积恰好是V0＝1mL；一滴油酸酒精溶液中含有油酸的体积为8×10－12m3；③先往浅盘里倒入2cm深的水，然后将爽身粉均匀地撒在水面上；④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状；⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内小方格的个数N，小方格的边长为L＝1cm。（3）由图可知油膜面积为1×10－2m2；计算出油酸分子直径为8×10－10m。（以上结果均保留一位有效数字）（4）若滴入75滴油酸酒精溶液的体积不足1mL，则最终的测量结果将偏大（选填“偏大”“偏小”或“无影响”）。解析：（1）将油膜看成单分子油膜，油膜是呈单分子分布的，单分子油膜的厚度等于分子的直径，A正确；不考虑各个油酸分子间的间隙，认为这些油酸分子是一个一个紧挨在一起的，分子之间没有间隙，B正确，C错误；将油酸分子看成球形，测出油酸的体积V和形成单分子油膜的面积S，单分子油膜的厚度d＝VS，可以认为厚度等于分子的直径，D（2）②一滴油酸酒精溶液中含有油酸的体积为V＝175×6104mL＝8×10－6mL＝8×10－（3）由题图可知油膜面积为S＝1×10－2m2油酸分子的直径为d＝VS＝8×10－121×1（4）若滴入75滴油酸酒精溶液的体积不足1mL，则代入计算的纯油酸的体积偏大，可知测量结果偏大。3.在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将1mL的纯油酸配制成5000mL的油酸酒精溶液，用注射器测得1mL溶液为80滴，再滴入1滴这样的溶液到准备好的浅盘中，描出的油膜轮廓如图所示，每格边长是0.5cm，根据以上信息，回答下列问题：（1）1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为2.5×10－6mL；（2）油膜的面积为35cm2；（3）油酸分子的直径约为7×10－10m；（此小题保留一位有效数字）（4）从油酸酒精溶液滴入浅盘到油膜稳定过程中，油膜的面积大小变化情况是先变大后变小；（5）甲、乙、丙三位同学分别在三个实验小组做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验，但都发生了操作失误。其中会导致所测的分子直径d偏小的是A。A.甲同学在配制油酸酒精溶液时，不小心把酒精倒少了一点，导致油酸酒精溶液的实际浓度比计算值大一些B.乙同学在计算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液体积后，不小心拿错了一个注射器把溶液滴在水面上，这个拿错的注射器的针管比原来的细，每滴油酸酒精溶液的体积比原来的小C.丙同学在计算油膜面积时，把凡是不足一格的油膜都不计，导致计算的面积比实际面积小一些解析：（1）一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V＝180×15000mL＝2.5×10（2）由题图油膜可知，油膜所占坐标纸的格数约140个，油膜的面积为S＝140×0.5×0.5cm2＝35cm2。（3）油酸分子的直径约为d＝VS≈7×10－10m（4）从油酸酒精溶液滴入浅盘到油膜稳定过程中，由于酒精的挥发，油膜的面积大小变化情况是先变大后变小。（5）甲同学在配制油酸酒精溶液时，不小心把酒精倒少了一点，导致油酸酒精溶液的实际浓度比计算值大了一些，算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积比实际值小，由d＝VS，可知所测的分子直径d偏小，A正确；乙同学在计算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液体积后，不小心拿错了一个注射器把溶液滴在水面上，这个拿错的注射器的针管比原来的细，一滴油酸酒精溶液的实际体积变小，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积变小，对应的油膜面积S变小，但体积V还是按原来的计算的，由d＝VS，可知所测的分子直径d偏大，B错误；丙同学在计算油膜面积时，把凡是不足一格的油膜都不计，导致计算的面积比实际面积小一些，由d＝VS，可知所测的分子直径d偏大4.在“油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，某同学操作如下：①取1.0mL油酸配成250mL油酸酒精溶液；②用滴管吸取1.0mL油酸酒精溶液逐滴滴入量筒中，全部滴完共滴了20滴；③在边长约10cm的正方形浅盘内注入适量的水，将痱子粉均匀地撒在水面上，用滴管滴入一滴溶液；④待油膜形状稳定后，将绘有方格的玻璃板放在浅盘上，绘出油酸膜的轮廓（如图所示），每个方格的边长为1.0cm。（1）该实验中一滴油酸酒精溶液含2×10－4mL油酸；（2）由上述数据估算得到油酸分子直径的数量级约为10－8m；（3）若该同学在计算油酸膜面积时，对不完整的方格均不计数，由此估算得到的油酸分子直径数量级将不变（选填“偏大”“偏小”或“不变”）；（4）已知油酸分子的直径约为8×10－10m，该同学实验结果产生偏差的可能原因是：，理由是：。答案：见解析解析：（1）该实验中一滴油酸酒精溶液含纯油酸1250×120mL＝2×10－4（2）油膜的面积约为S＝57×1×10－4m3＝5.7×10－3m3则分子直径d＝VS＝2×10－4×10－则油酸分子直径的数量级约为10－8m。（3）若该同学在计算油酸膜面积时，对不完整的方格均不计数，则算得的油膜的面积偏小，则由此估算得到的油酸分子直径偏大，但是数量级不变。（4）已知油酸分子的直径约为8×10－10m，该同学实验结果产生偏差的可能原因是：油酸膜可能没有充分展开，形成的并不是单分子油膜层，理由是：2×10－10m3的油酸若形成紧密排列的单分子膜时，膜面积约为0.25m2，远大于浅盘内的水面面积，说明实际上油膜不可能仅是一层油酸分子构成的。5.某物理实验小组为了探究在压强不变的情况下气体的体积与热力学温度的关系，选用了如图（a）所示的实验装置，图中压强计的指针可指示出管内气柱的压强，刻度可指示出气柱的体积，整个装置安装在固定架上，实验中气柱质量不变。（1）将下列实验步骤补充完整；①在烧杯中放入冰水混合物，使其浸没气柱，压强计示数稳定后，记下冰水混合物的热力学温度T、气柱的体积V和压强p0；②改变烧杯内的水温，使水浸没气柱，经过一段时间后，缓慢调节活塞位置改变气柱的体积，使压强计的示数p0，记下气柱体积和水的热力学温度；③多次改变水温，重复步骤②；（2）下表为某次实验记录的数据：1234567T/K273283300313325333347V/mL10.010.411.011.412.012.212.7（3）根据表格中的数据在图（b）给出的坐标系中补齐数据点，并作出V-T图线；答案：解析图（4）根据作出的V-T图线可知，一定质量的气体在压强不变的情况下，体积V与热力学温度T成线性关系。解析：（1）②本实验是探究在压强不变的情况下气体的体积和热力学温度的关系，故需要控制压强保持不变，使压强计示数为p0；（3）根据表格的数据，补齐数据点并描点连线，如图所