2026高考物理总复习人教基础版第十五章 第6讲　实验 用油膜法估测油酸分子的大小 探究气体等温变化的规律

第6讲实验:用油膜法估测油酸分子的大小探究气体等温变化的规律实验Ⅰ用油膜法估测油酸分子的大小一、实验原理二、实验器材油酸、酒精、注射器、烧杯、浅盘及水、带坐标方格的玻璃板、盛有爽身粉的布袋、彩笔。三、实验操作及步骤1.配制溶液:取1mL油酸溶于酒精中,制成500mL的油酸酒精溶液。2.盛水撒粉:在浅盘中盛入约2cm深的水,一只手捏住盛有爽身粉的布袋,另一只手拍打,将爽身粉均匀地撒在水面上。3.滴入油酸:用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液,油酸立即在水面散开,形成一块油膜。4.描画轮廓:待油膜形状稳定后,将带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上,在玻璃板上描下薄膜的形状。四、实验数据处理2.计算油膜的面积S:根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格,计算轮廓范围内正方形的个数,不足半个的舍去,多于半个的算一个。把正方形的个数乘单个正方形的面积就得到油膜的面积S。五、注意事项1.在水面上撒爽身粉时,注意不要触动浅盘中的水。2.在玻璃板上描绘轮廓时动作要轻而迅速,眼睛视线要始终与玻璃板垂直。3.油酸酒精溶液配制后不要长时间放置,以免浓度改变,产生误差。4.注射器针头高出水面的高度应在1cm之内。当针头靠水面很近(油酸未滴下之前)时,会发现针头下方的粉层已被排开,是由针头中酒精挥发所致,不影响实验效果。5.实验要求估算油酸分子的大小,结果中数量级符合要求即可。六、误差分析1.纯油酸体积的计算引起误差。2.画油膜形状时不准确带来误差。3.数格子法本身是一种估算的方法,从而会带来误差。实验Ⅱ探究气体等温变化的规律一、实验原理在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下,通过改变密闭注射器中气体的体积,由压力表读出对应气体的压强值,进而研究在温度不变的条件下气体的压强与体积的关系。二、实验器材带铁夹的铁架台、注射器、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、橡胶套、刻度尺等。三、实验操作及步骤1.安装器材(如图)。2.将注射器的柱塞适量推入注射器,用橡胶套封住一段空气柱。在实验过程中,我们可以近似认为空气柱的质量和温度不变。3.把柱塞分别缓慢地向下压或向上拉,同时读出空气柱的长度与压强的几组数据并记录。四、实验数据处理1.以压强p为纵坐标,以体积V为横坐标建立p-V坐标系,画出气体等温变化的p-V图像,则图像是曲线,并不能认为压强与体积成反比。五、注意事项与误差分析1.实验中操作要缓慢,不能用手握住注射器,以确保温度不变。2.要等到示数稳定之后,再去读数。3.实验中应保持气体质量不变,故安装装置时柱塞上涂好润滑油,防止漏气。考点一用油膜法估测油酸分子的大小[例1]【实验原理与操作】

(2024·江苏无锡阶段练习)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,有下列实验步骤:①往浅盘里倒入适量的水,待水面稳定后将适量的爽身粉均匀地撒在水面上。②用注射器将事先配制好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待油膜形状稳定。③将玻璃板平放在坐标纸上,计算出油膜的面积,从而估算出油酸分子直径的大小。④将8mL的油酸溶于酒精中制成1×104mL的油酸酒精溶液,用注射器将溶液一滴一滴地滴入量筒中,每滴入100滴,量筒内的溶液增加1mL。⑤将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。(1)上述步骤中,正确的顺序是④①

(填写步骤前面的数字,前两步已给出)。

②⑤③【解析】

(1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,其步骤为配制油酸酒精溶液④、准备浅水盘,撒上爽身粉①、滴入油酸酒精溶液,形成油膜②、描绘油膜边缘⑤、测量油膜面积,计算分子直径③,故正确顺序为④①②⑤③。(2)完成本实验需要几点假设,以下假设与本实验无关的是

。

A.将油酸分子视为球形B.油膜中分子沿直线排列C.将油膜看成单分子层D.油酸分子紧密排列无间隙B【解析】

(2)该实验中把在水面上尽可能扩散开的油膜视为单分子油膜;不需要考虑分子间隙,把形成油膜的分子看作紧密排列的球形分子;将油酸分子视为球体模型。但并未将油膜中分子看作直线排列,故B正确。(3)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,体现的物理思想方法是

。

A.理想模型法

B.控制变量法C.等效替代法A【解析】

(3)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,体现的物理思想方法是理想模型法。故A正确。(4)油膜形状稳定后,数得油膜所占格数约为128格(已知坐标纸正方形小方格的边长为1cm),则可估算出油酸分子的直径约为

m(结果保留1位有效数字)。

6×10-10(5)实验后,某小组发现自己所测得的分子直径d明显偏小,出现这种情况的可能原因是

。

(多选)A.水面上爽身粉撒得太多,油膜没有充分展开B.求每滴溶液体积时,1mL溶液的滴数计多了C.将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算D.油酸酒精溶液久置,酒精挥发使溶液的浓度发生了变化BD【解析】

(5)水面上爽身粉撒得太多,油膜没有充分展开,则测量的面积S偏小,导致结果偏大,故A错误;求每滴溶液体积时,1mL溶液的滴数计多了,则一滴油酸的体积减小了,会导致计算结果偏小,故B正确;将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算,则计算时所用的体积数值偏大,会导致结果偏大,故C错误;油酸酒精溶液久置,酒精挥发使溶液的浓度变大,导致计算时所用油酸体积偏小而使结果偏小,故D正确。[例2]【实验数据处理与误差分析】(2024·四川达州期末)在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中,实验步骤如下:a.将1mL油酸配制成1000mL油酸酒精溶液;b.用小注射器取一段油酸酒精溶液,并将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,直到1mL时一共滴入50滴;c.向浅盘中倒入约2cm深的水,并将爽身粉均匀地撒在水面上;d.用注射器在水面上滴一滴配制好的油酸酒精溶液;e.待油酸薄膜的形状稳定后,将带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上,并用彩笔在玻璃板上描出油酸薄膜的形状,如图甲所示。(1)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是

mL。

2×10-5(2)已知每一小方格的边长为1cm,多于半个的方格算一个,少于半个的方格舍去,数得满足条件方格数为60个,根据上述数据得出油酸分子的直径是

m。(结果保留1位有效数字)

3×10-9(3)关于本实验,下列说法正确的有

。(多选)

A.油酸酒精溶液长时间放置,会使分子直径的计算结果偏小B.若实验过程中爽身粉撒得太多,会使分子直径的计算结果偏小C.本实验中用玻璃棒轻轻按油膜,使之形成更规则的图形,可减小实验误差D.向量筒中滴入1mL油酸酒精溶液时,滴数少记了几滴,会使分子直径的计算结果偏大AD【解析】(3)油酸酒精溶液长时间放置,会使酒精挥发,油酸的浓度增大,从而每滴纯油酸的体积大于其测量值,造成分子直径的计算结果偏小,故A正确;若实验过程中爽身粉撒得太多,油酸没有充分散开,导致面积S的测量值偏小,从而会使分子直径的计算结果偏大,故B错误;实验中将爽身粉均匀地撒在水面上且不溶于水,虽然形成的油膜外形复杂,但不影响格子正确计数,与外形是否规则无关,且人为干预外形会造成另外的误差,故C错误;若滴数少记了几滴,使每滴纯油酸的体积测量值偏大,从而造成分子直径的计算结果偏大,故D正确。(4)在步骤e中,由于水槽边缘不平整,盖在水槽上的玻璃板与形成的油膜并不平行,侧视图如图乙所示,则该情况会导致最终测得的油酸分子的半径结果

(选填“偏大”或“偏小”)。

偏小【解析】(4)由于玻璃板和油膜平面不平行,导致在玻璃板上描绘的油膜轮廓围成的面积大于油膜的实际面积,所以最终测得的油膜分子半径偏小。[例3]【实验目的的创新】(2024·河南开封期末)某同学模仿“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的方案,做了三个非常巧妙的设计,请你借鉴对应设计思路,完成以下实验。(1)现需要在一个烧杯中倒入0.01克食盐供以后做实验用,但现有的电子秤最小只能称0.1克的质量,以下方法最合理的是

。

B(2)有一小捆长度相同粗细均匀的细铁丝,要较精确地测量细铁丝的横截面积,采用如下方法测量:①向量筒中倒入适量的水,读取示数V1;②将10根长度相同的细铁丝放入量筒中,使其被水浸没,读取示数V2;③取出细铁丝,用刻度尺测出一根细铁丝的长度L;④每根细铁丝的横截面积为S=

。

(3)估测一粒治疗嗓子的喉症丸(可视为球形小颗粒)的直径。实验步骤如下:①将适量药丸倒入量筒,然后轻轻晃动几下量筒,测量出药丸的总体积V;②再将药丸从量筒中倒出,平铺在水平的坐标纸上,使药丸紧挨着排成单层结构;③用铅笔描绘出边缘的轮廓如图;④撤去药丸,进行数据处理。a.坐标纸上每个小正方形方格的边长为L,轮廓所围的面积为

。

b.该同学估测出药丸的直径为

。

c.经过仔细观察,发现药丸并不是标准的球形,将导致测量值将比药丸看作球形的直径

(选填“偏大”或“偏小”)。

118L2偏小不能考点二

探究气体等温变化的规律[例4]【实验原理与操作】

(2025·安徽安庆月考)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,

(选填“需要”或“不需要”)测空气柱的横截面积。

不需要【解析】

(1)由于注射器的横截面积相等,在确定压强与体积关系时可用长度代替体积,故不需要测空气柱的横截面积。(2)若实验过程中不慎将活塞拉出针筒,则

(选填“需要”或“不需要”)重做实验。

需要【解析】

(2)若实验过程中不慎将活塞拉出针筒,气体质量发生变化,则需要重做实验。(3)关于该实验的操作,下列说法正确的有

。(多选)

A.柱塞上涂润滑油B.应缓慢推拉柱塞C.用手握注射器推拉柱塞D.注射器必须固定在竖直平面内AB【解析】

(3)柱塞上涂润滑油,既减小摩擦,又防止漏气,故A正确;若急速推拉活塞,则有可能造成漏气和封闭气体温度变化,所以应缓慢推拉活塞,故B正确;用手握注射器推拉柱塞,会造成气体温度发生变化,故C错误;封闭气体压强由压力表测量,与注射器是否竖直无关,故D错误。②漏气或气体温度降低[例5]【实验数据处理与误差分析】

(2025·湖南长沙阶段练习)用图甲所示实验装置探究气体等温变化的规律。(1)在本实验操作的过程中,需要保持不变的量是气体的

和

。质量温度【解析】

(1)探究气体等温变化的规律,需要保持封闭气体不变,即不改变的是气体的质量和温度。过原点的倾斜直线A.实验过程中有漏气现象B.实验过程中气体温度降低C.实验过程中气体温度升高D.漏加了注射器与压强传感器连接处的气体体积D注射器存在漏气现象[例6]【实验目的的创新】

(2024·湖北黄冈期中)一定质量气体等温变化时,其p与V的乘积是个定值C,有同学设计了下面实验,欲验证等温时pV乘积是否为定值,并测出该定值

C以及当地的大气压值p0。Ⅰ.找一段内壁比较光滑的废弃排水管以及配套的堵帽,用胶水把堵帽粘在管底,底部密封后做成汽缸,固定放在水平地面上。Ⅱ.找一个与排水管配套的管件“补芯”(直径比水管内径略小、同材质的薄圆柱体)充当活塞,测出活塞的横截面积为S=10cm2。如图甲所示,用胶水把补芯活塞、硬杆和置物平台牢固地粘连在一起,并用天平称出其质量。Ⅲ.在活塞边缘和汽缸内部涂抹上凡士林(保证良好的密封和润滑),把活塞缓慢地竖直插入汽缸内,密封一定量气体。取一配重物块,亦称出其质量,把配重物块和活塞、硬杆、置物平台的质量加在一起,记为m1,然后把配重物块放在置物平台,活塞无摩擦地下移,稳定时测出密封气体柱长度h1。(1)实验中温度不变,图像是一条直线,如图乙,验证pV乘积C是定值的依据是

。

A.图像的斜率是定值B.图像纵轴截距是定值C.图像横轴截距是定值A(2)g取10m/s2,根据图像,可以测得被密封气体的定值C=

;测得当地大气压的值为p0=

Pa。(以上两空均保留2位有效数字,C值必须注明单位)

16J8.0×104(3)实验中活塞下移时与管壁存在摩擦,假设这里的摩擦力大小始终恒定,但图像法处理数据时没有考虑,这样会导致C的测量值与真实值相比将

,大气压p0测量值与真实值相比将

。(上述两空均选填“偏大”“偏小”或“无影响”)

无影响偏小[例7]【实验器材的创新】

(2025·安徽合肥开学考试)日常生活中的许多现象,往往隐含着许多科学道理,如:a.自行车在烈日下暴晒,车胎容易发生爆炸;b.压缩一段封闭在注射器内的空气,发现越压缩越费力。(1)关于一定质量的气体产生的压强与哪些因素有关,小明做出了以下猜想:猜想一:可能与气体的温度有关;猜想二:可能与气体的体积有关。(2)为验证猜想一,小明进行如下实验操作:①取一根长约为1m,一端封闭的细玻璃管,在室温(20℃)下用水银封闭一段空气柱,将玻璃管竖直固定,并在玻璃管上标出水银柱下表面的位置,如图甲所示。②将空气柱浸入50℃的水中,待水银柱不再上升后,往玻璃管内注入水银直到

为止。

标记处【解析】

(2)②由于猜想一中要探究压强与温度的关系,因此应保持封闭气体体积不变,将空气柱浸入50℃的水中,待水银柱不再上升后,往玻璃管内注入水银直到水银柱回到标记处为止,这样可以通过比较水银柱的长度来比较气体压强的大小。③再将空气柱浸入80℃的水中,重复实验。实验中小明发现空气柱的温度越高,其上方的水银柱也越长,由此可得出结论:一定质量的气体,体积一定,温度越高,产生的压强越

。

大【解析】

③由于②中水银柱的长度比①中水银柱的长度长,所以p1<p2,③中水银柱又比②中的长,所以p2<p3,且①~③气体的温度是升高的,所以可得到“一定质量的气体,温度越高,产生的压强越大”的结论。(3)小明又利用传感器设计了如图乙的实验装置,探究验证猜想二。①实验中,小明要控制气体的温度和

不变,改变

测量压强。

质量气体的体积【解析】

(3)①探究猜想二中,要探究一定质量的气体产生的压强与气体体积的关系,应控制气体的温度、质量不变,改变气体的体积,而测量压强。②小明实验记录的数据如下:实验次数压强p/Pa体积V/m3pV/(Pa·m3)11.59×1050.75×10-51.192521.20×1051.00×10-51.200030.97×1051.25×10-51.212540.75×1051.60×10-51.200050.60×1052.00×10-51.2000分析表中数据,可得结论:

。

一定质量的气体,温度一定时,压强与体积成反比【解析】

②分析表格数据知,每次数据对应的pV值约为1.2Pa·m3,体积逐渐增大,压强逐渐减小,所以可得出一定质量的气体,温度一定时,压强与体积成反比的结论。[例8]【实验方法的创新】

(2023·山东卷,13)利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上,注射器内封闭一定质量的空气,下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘,托盘中放入砝码,待气体状态稳定后,记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和),逐次增加砝码质量,采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。回答以下问题:(1)在实验误差允许范围内,图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线,说明在等温情况下,一定质量的气体

。

A.p与V成正比

B(2)若气体被压缩到V=10.0mL,由图乙可读出封闭气体压强为

Pa(结果保留3位有效数字)。

204×103(3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而

(选填“增大”或“减小”)。

增大【解析】

(3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,根据p(V0+ΔV)-pV0=pΔV,可知他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而增大。(满分:50分)课时作业对点1.用油膜法估测油酸分子的大小1.(12分)(2025·贵州贵阳测试)利用油膜法估测油酸分子的大小,实验器材有:浓度为0.05%(体积分数)的油酸酒精溶液、最小刻度为0.1mL

的量筒、盛有适量清水的45×50cm2浅盘、爽身粉、橡皮头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸。则:(1)下列给出的部分实验步骤,其正确顺序为

。

A.将玻璃板放在浅盘上,用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上B.用滴管将浓度为0.05%的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下滴入1mL油酸酒精溶液时的滴数NC.将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,坐标纸上是边长为1cm的正方形,计算轮廓内正方形的个数,算出油酸薄膜的面积SD.将爽身粉均匀地撒在浅盘内水面上。用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液,从低处向水面中央一滴一滴地滴入,直到油酸薄膜有足够大的面积又不与器壁接触为止,记下滴入的滴数nBDAC【解析】

(1)本实验的基本步骤是:用滴管将浓度为0.05%油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下滴入1mL的油酸酒精溶液的滴数N,可求得1滴油酸酒精溶液的体积;将爽身粉均匀地撒在浅盘内水面上,用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液,从低处向水面中央滴入一滴油酸酒精溶液,使之充分扩散,形成单分子油膜;待油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板放在浅盘上,用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上;将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,以坐标纸上边长为1cm的正方形为单位,计算轮廓内正方形的个数,计算出油酸薄膜的面积。故实验步骤正确排序应为BDAC。(2)该实验测得的单个油酸分子的直径约为(单位:cm)

。

B(3)通过实验测得分子直径的大小约为

m的数量级。

A.10-10 B.10-15

C.10-7 D.10-6A【解析】

(3)通过实验测得分子直径的大小约为10-10m的数量级。故A正确。(4)用油膜法估算出油酸分子的直径后,要测定阿伏加德罗常数,还需要知道油酸的

。

A.质量 B.体积C.摩尔质量 D.摩尔体积D【解析】

(4)计算出油酸分子的直径后可以根据体积公式算出油酸分子体积,要测定阿伏加德罗常数还需要知道NA个油酸分子的总体积,即油酸的摩尔体积。故D正确。2.(8分)(2024·河南驻马店期末)有同学完成“用油膜法估测油酸分子的大小”实验。(1)假设将分子看成球形、不考虑各油酸分子间的间隙及将形成的油膜视为单分子油膜,此方法在物理研究方法中被称为

。

A.理想模型法 B.极限思维法C.微元法 D.微小量放大法A【解析】

(1)假设将分子看成球形、不考虑各油酸分子间的间隙及将形成的油膜视为单分子油膜,此方法在物理研究方法中被称为理想模型法。故A正确。(2)在实验中油酸体积占油酸酒精溶液总体积的比例最为合适的是

。A.1∶50

B.1∶500

C.1∶5000B【解析】

(2)在实验中油酸体积占油酸酒精溶液总体积的比例偏大时油膜在浅盘中不易充分散开,偏小时,油膜面积又偏小会造成较大误差,最为合适的是1∶500。故B正确。(3)由于没有方格纸,该同学首先在一张透明胶片上描出油膜的轮廓,测量胶片的面积S0,并用高精度的电子天平称量出整张胶片的质量M,然后沿轮廓剪下对应的油膜形状的胶片,其质量为m,则油膜的面积为

(用所给物理量符号来表示)。

(4)下列操作有助于减小实验误差的是

。

A.撒爽身粉时要尽量厚一些,覆盖整个浅盘B.滴油酸酒精溶液时,针头需远离液面C.滴油酸酒精溶液后需待油膜稳定后再测其面积C【解析】

(4)撒爽身粉时若过厚,且覆盖整个浅盘,不利于油酸形成单分子油膜,故A错误;滴油酸酒精溶液时,针头远离液面,则油酸酒精溶液滴到水面上时可能会溅起,也不利于形成整片的油膜,故B错误;滴油酸酒精溶液后需待油膜稳定后再测其面积,故C正确。对点2.探究气体等温变化的规律3.(8分)(2025·湖南永州模拟)某小组同学利用如图甲所示的实验装置“探究等温情况下一定质量气体压强和体积的关系”。(1)实验研究对象是

。

被封闭气体(或空气柱)【解析】

(1)实验研究对象是被封闭气体(或空气柱)。(2)关于实验,下列说法正确的是

。

A.快速调节空气柱长度后立刻读数B.实验中不需要测量空气柱的横截面积C.实验中若密封橡胶套脱落,应立刻堵住后继续实验B【解析】

(2)为保证气体温度不变,应缓慢调节空气柱长度,等示数稳定后读数,选项A错误;实验中不需要测量空气柱的横截面积,可用其长度代替体积,选项B正确;实验中若密封橡胶套脱落,则气体的质量会发生变化,不能堵住后继续实验,选项C错误。A.计算密封气体体积时,无法加上注射器下面橡胶套内气体体积B.在实验过程中,封闭的气体质量减少C.在实验过程中,封闭的气体温度发生变化A4.(12分)(2024·河南三模)某同学想探究等温情况下一定质量的气体压强与体积的关系。如图甲所示仪器,在一有毫米刻度的直尺上固定一根一端封闭、粗细均匀的细直玻璃管,封闭端内腔顶部对准直尺的零刻度线,管内有一段被水银封闭的空气柱。操作步骤如下:①如图乙所示,用铁支架固定木板,钉上白纸,用重垂线检查使木板竖直,并在纸上作出一条竖直方向的直线。②使直尺贴近白纸。从刻度尺上读出空气柱长度l,用铅笔画出水银柱长度h′。③将h′投影到竖直线上,量出水银柱投影的高度h(mm),将所得