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油膜法估测分子大小实验中的若干问题的探究

2012-08-31 |浏览:6481次 | 编辑: 加载失败
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(原载:《物理教师》,第28卷第3期,2007年)

分子动理论是从微观角度认识热现象本质的基础理论,高中物理课程标准要求:“认识分子动理论的基本观点,知道其实验依据。”高中学生在学习分子动理论时,他们首先提到的问题往往是:既然物质是由分子组成的,那么一个分子到底有多大呢?如果老师回答说,普通的分子是非常小的,假如把它看成球形,直径大约是10 - 10m。这样回答还不能够满足学生的好奇心和求知欲,而油膜法估测油酸分子大小的实验,既能让学生感知分子的大小,又能使学生体会估测法在物理学中威力和应用。该实验的实施步骤和注意事项等教学内容,在许多文章中已有详细的阐述,本文重点讨论的是,学生在实验过程中发现的一些奇异现象和提出的一些有趣问题,而这些现象和问题,往往容易被我们老师所忽视。

1:?

在本实验中,一般是由老师提供配制好的油酸酒精溶液,并告诉学生油酸和酒精的体积比是多少,这样可以节省实验时间。 学生通常会问,为什么不直接用油酸?老师就可以趁这个机会向学生介绍估测法在该实验中的应用,渗透科学方法的教育。 现在已经知道分子的直径大约是10 - 10m,而一滴油酸的体积(注射器5 号针头下的)大约有4 ×10 - 3cm3(每0. 4cm3 的油酸大约有100 滴) ,如果这滴油酸铺成单分子膜,膜的面积是 ,实验室没有这么大的盆,做起实验来很不方便,因此要稀释。实验室提供的盆的面积一般是30cm ×30cm = 900cm2 ,如果要将整个盆铺满,所需油酸的体积大约是V 2 =S2 d = 900 cm2 ×10 - 7cm =  9 ×10 - 5cm3  ,  ,这是我们按普通的分子大小估算出的体积比,而实际上油酸的分子比普通分子大些,而且考虑到油酸的浓度对测量结果的影响,当油酸的浓度越小时,油酸形成单分子膜后,分子间的间隙越大,分子占据的面积越大,使得测量值远小于真实值。在本实验中油酸酒精的体积比选择1/ 200 较为合适。

2:,?

油酸是一种有机酸,分子式为C17 H33COOH,它的分子可以看作一圆柱模型,一端是羧基- COOH,与水有很强的亲和力而被水吸引,另一端- C17 H33与水没有亲和力要冒出水面,因此油酸滴到水面后趋于均匀的扩散到水面,同时油酸滴到水中后,降低了水的表面张力系数,油酸所在处的表面张力小于油酸未到处的表面张力,滑石粉在周围水的表面张力的作用下迅速聚集成一条轮廓线。此时的液面有点像一面绷紧的橡皮膜,橡皮膜的中间一旦破裂开后,将迅速向两边收拢。类似的现象可以从下列简单的实验中观察到,把两根火柴平行放在静止的水面上,在两根火柴的中间滴上一滴油酸溶液,火柴会向两边分开。如果用洗涤剂代替油酸溶液,火柴棒也会分开,这是因为洗涤剂也会降低火柴间液体的表面张力,火柴在另外两边表面张力的作用下被拉开。

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3:,,,,?

油酸溶液中含有大量的酒精,油酸溶液滴入水中后,开始在水面形成的液膜的面积比单纯的油膜面积要大,随着酒精在水中的溶解和在空气中的蒸发,最后显示出的油膜面积会缩小。 这也可用实验来验证,换用体积比相差很大的不同的油酸溶液重复实验,可以发现油膜的这种收缩现象有明显的差别,当降低油酸溶液的浓度后,这种收缩现象会加强;增大油酸溶液的浓度后,这种收缩现象会减弱;如果用纯油酸,很难观察到这种收缩现象。

4:,,,?

这种细微的现象要在实验室温度较高时才容易观察到。针头上汽化的酒精蒸气扩散到下方的水面上,从而使这部分水的表面张力变小,在周围水面表面张力的作用下,粉屑向外移动。如果用塑料帽套在针头上,这种现象就观察不到了;如果注射器中吸入的是水,也观察不到这种现象;在注射器中吸入纯的酒精,当针头靠近液面时,粉屑又向外移动开去。

5:?

油酸铺到水面形成单分子膜时,会发生干涉现象,由于单分子膜的厚度非常薄,从油膜上下表面反射的光发生相消干涉,光的强度减弱,因此油膜看起来比较昏暗,在实验中即使不用滑石粉,由于油膜比水面暗些,仔细观察也能将油膜和水面分开。如果油酸不稀释,直接滴入水中,还会在油面上观察到彩色的花纹,这是因为油酸过多时,它在扩散过程中会使得油膜太厚且厚度不均匀,白光照在厚度不均匀的油膜上,会发生不同频率的相长干涉和相消干涉,于是在油膜上就出现了彩色的花纹。

上述的一些现象和问题,在我们老师看来可能是意料之外的,正是这些意料之外的现象和问题,却往往被那些善于观察和思考的同学所发现,每当他们问起这些“题外话”,我们老师是不是也要履行“解惑”的职责呢?有人说,意料之外的现象才是未知世界送出的橄榄枝,只有抓住它,才会有惊人的回报、持续的发现。从实验中的奇异现象入手,发展学生的科学探索兴趣,不也是落实新课程目标的一条途径吗。

 


(责任编辑:王翔)


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(原文章信息:标题:,作者:邓华 刘炳昇  &n,来源:物理教师    ,来源地址:)

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