高考物理 用油膜法估测分子的大小知识和经典试题解析

问题1：为什么要估测量分子的大小？答：在《1.1分子动理论》的学习中，我们知道阿伏伽德罗常数NA是联系微观世界和宏观世界的一个重要物理量，并且明确阿伏伽德罗常数的测量值约为NA=6.02×1023

/mol。通过阿伏伽德罗常数，我们推测分子直径的数量级为10-10m。

物理学科的理论体系是建立在实验基础上的，我们对分子直径的数量级的推测是否科学需要通过实验来验证。中学阶段，利用油膜法测量分子的直径可以验证上节课中我们对分子大小的推测是否合理。

物理学中，显微镜技术的发展使上述验证过程更加精确。扫描隧道显微镜的问世不仅使人们看到了原子尺度下的微观世界，还可以操控原子排列成特殊的图形，如图中所示。扫描隧道显微镜证实了原子线度的数量级约为

10-10m。问题2：为什么可以利用油膜法测量分子的直径？答：分子直径的数量级很小，由于实验条件的限制中学阶段无法直接测量一个分子的直径。利用累积的方法测量微小量是科学研究中常用的方法之一，利用油膜法估测油酸分子的大小实验中就多次利用了这种微小量累积的思想。实验时，我们需要做如下假设：①假设组成物质的分子都是球形的；②假设组成物质的分子间没有间隙，物质的分子是一个紧挨一个紧密排列的；③假设稀释后的油酸在水面上形成的是单分子层油膜，如图所示。实验时，只要测量出形成油膜的油酸的体积V和油膜的面积S，则油膜的厚度就近似为油酸的直径，即上述利用累积来测量微小量的方法并不少见，我们在选择性必修1《2.5

用单摆测量重力加速度》的实验中，就是通过测量单摆做30～50次全振动的时间来测量单摆的周期的。问题3：为什么油酸的分子可以排成单分子层油膜？答：油酸是一种脂肪酸，其分子可以看成由两部分组成，即一个较大的“头部”(烃链C17H13—)和一个很小的“尾巴”(羧基—COOH)。分子的“头部”不溶于水，但“尾巴”对水有很强的亲和力。把一滴油酸酒精溶液滴入水中时，其中的酒精溶于水并很快挥发，油酸分子充分展开，油酸分子就会竖起来，“头部”露出水面，而“尾巴”则留在水中，油酸分子就这样一个挨一个紧密地排列在水面上，形成单分子油膜，由于它的“尾巴”很小，其体积可以忽略不计。问题4：为什么要在油酸中加酒精配置成油酸酒精溶液？答：若直接将油酸滴到水面上，很多油酸分子会堆积在一起形成叠层油膜，无法形成单分子油膜。用酒精稀释油酸后，将溶液滴到水面上时，酒精溶于水并且很快挥发，使水面上形成的只是一层纯油酸组成的单分子薄膜，从而更好地实现了测量分子直径的第三条假设。问题5：为什么实验时，要先在水面上撒一层痱子粉再滴入油酸酒精溶液？答：由于油酸是透明的，因此在水面上形成的油膜边界不容易分辨。撒上一层痱子粉，油酸在水面上扩散后，会将水面上的痱子粉推开，形成清晰的边缘，中间油酸扩散形成的图形是透明的，便于下一步描绘油膜的形状，进而估测油膜的面积，如图所示。问题6：实验中如何测量一滴油酸酒精溶液中油酸的体积？答：实验时需要先配置一定比例的酒精油酸溶液，比如可以向

1mL

油酸中加酒精，直至总量达到500mL，此时溶液的浓度为c=0.2%。然后利用累积的方法测量一滴油酸酒精溶液的体积：如图所示，用注射器吸取一些油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积V0；再把它一滴一滴地滴入烧杯中，记下液滴的总滴数N；用总体积除以总滴数就可以得到1滴油酸酒精溶液的体积为V0

/N。则一滴油酸酒精溶液中油酸的体积V约为：问题7：实验中如何估测油膜的面积？答：如图所示，油膜形状稳定后，用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。数出描出的轮廓范围内正方形的个数n，数的原则是：不足半个的舍去，多于半个的算一个。如图中所示，轮廓内正方形的个数为47个。若一个坐标方格的面积为S0，则估测油膜的面积S=