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「用油膜法估測分子的大小」實驗中的幾個問題

2023年08月26日

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用油膜法估測分子直徑的大小是中學物理實驗中的一個具有特別意義的實驗,因為利用宏觀量的測量求出微觀量的大小,這在中學物理實驗中是唯一的一個,體現了一個很重要的思想。對於提高學生對微觀世界的認識非常重要,一定要認真引導學生做好。原理很簡單,但實驗產生的誤差較大,眾說紛紜,值得探究。《中學物理教學參考》第3期、第4期以及其它物理教學雜誌,都有探討。讀了這些文章,筆者從實踐中覺得還有幾點說明。
第一、如何撒粉。這個問題是本實驗成功的關鍵因素。上面的文章中一般都是說取適量的痱子粉均勻地撒到水面上,或者說用小刀刮粉筆(主要成分是石膏),使其灰塵均勻地灑落在盤中水面上。在實驗中,發現用手直接撒,根本行不通,刮粉筆灰塵效果也很差。經過思考,從農民撒農藥粉的勞動中受到啟發。以前農民撒農藥粉也不是直接撒,而是把農藥粉裝在一個布袋裡,然後綁在棒的一端,再用另一根棒拍打裝有農藥粉的布袋,這樣可以做到用藥較均勻,藥量少而效果好。本實驗同樣可以這樣做:用手帕(或質量較好的一層餐巾紙)包痱子粉,在水面上方輕輕拍打幾下即可,解決了水面上的痱子粉要薄而均勻難操作的問題,也減輕了實驗里粉塵污染嚴重的問題。實踐表明,這樣的效果極佳。
第二、滴油酸酒精溶液的高度問題。多數文章認為,往痱子粉上滴油酸酒精溶液時,針尖應儘可能地接近水面,高度要低。也有文章說高度要高,如《物理教學》第4期,《如此估測才準確》的文章說在粉塵的水面上方較高處滴溶液,理由是這樣做才能打破水面上的粉塵,形成油膜。知道了如何在水面上形成痱子粉,以及痱子粉厚薄對實驗的影響,不難得出滴油酸酒精溶液要低的結論,油膜畢竟要很薄。《中學物理教學參考》第3期文章的作者說得有道理,「如果針尖離水面過高,油滴以一定的初速度使水面出現波動,痱子粉被人為地沖開撕破,而油酸從水底浮上來,在痱子粉下散開,形成鋸齒狀,影響測量效果。再者由於水深只有2cm左右,初速度較大,液滴到盆底被撞散,實驗就沒法完成了。」實踐證明也是正確的。
第三、油酸分子的直徑數量級。絕大多數同學得出的實驗結果是油酸分子的直徑數量級為10-9m,這與課本(試驗修訂本?必修加選修)30頁的說明是不相符的。能說明本實驗不成功嗎?油酸的化學式為C17H33COOH,分子量為282g,1mol油酸的質量為282g,油酸的密度為ρ=0.89×103kg/m3, 油酸的體積公式為V=m/ρ,代入數據得到1mol的油酸體積為V=5.26×10-28m3,若將油酸分子看成是緊密排列的立方體,則分子的直徑為d= =8.07×10-10m;若將油酸分子看成是緊密排列的球體,設分子的直徑為d,則v= ,由此可知d= =1.0×10-9m,所以分子直徑的數量級為10-10m-10-9m。因此本實驗學生根據d= ,測出油酸分子的直徑的數量級在10-9m 左右應當是符合實驗要求的。
本文是學習和實踐的小結,有不當之處,敬請各位同行批評指正。

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