實驗“用油膜法估測分子大小”的改進研究

閔一恒+++張建民

【摘要】介紹了“用油膜法估測分子大小”實驗中，對撒粉、滴液控制和油膜面積計算等三方面的改進方法。

【關鍵詞】油膜法 估測分子大小 物理實驗 教學改進

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）48-0144-01

1.實驗改進策略

本實驗是學生第一次進入微觀世界進行學習，興趣比較濃厚，但學生思維的活躍程度、發(fā)散程度不高，實驗操作能力較低給教學帶來不小的困難[1]。這就要求教師要結合實驗過程，采用學生更容易接受的方式；緊密聯(lián)系生活，激發(fā)學生學習知識和實踐應用的興趣；通過分析總結出導致實驗系統(tǒng)誤差偏大的問題并加以改進，讓學生進一步理解把微小的物理量轉化為易于測量的物理量的方法[2]。

2.實驗原理及問題分析

油酸的分子式為C17H33COOH，它的一部分是羧基（—COOH），對水有很強的親合力，另一部分（C17H33）對水沒有親合力，因此油酸分子會一個個地直立在水面上形成單分子油膜。實驗就是通過油膜的總面積來估算油酸分子的直徑，需要解決的問題有兩個：一是獲得很小的一滴油滴并測出其體積；而是測量這滴油酸在水面上形成的油膜面積。

但在實際操作中，學生操作的不熟練導致實驗結果不理想，經過觀察總結出以下問題：

（1）撒粉問題

沒有具體地說明撒粉方法，學生在實驗時往往易把粉末撒得過厚、不均勻，導致滴入酒精油酸溶液后，不能形成單分子層油膜，學生缺乏實驗訓練，不能精確地完成撒粉和滴液過程。

（2）控制滴液問題

靠手感控制注射器或滴管滴定液滴，學生在操作時難以把握，易造成多滴甚至成液線的情況。

（3）油膜面積計算問題

通過數(shù)玻璃板上的方格數(shù)，算出油膜面積S，方格過小，易出錯，導致結果誤差大。

總的來說，這些問題一方面影響到了教學任務的完成，另一方面打擊了學生學習物理的積極性，因此要結合學生當前的興趣特點及知識技能水平針對這三方面對實驗進行改進。

3.實驗改進

（1）撒粉問題

針對這個問題，采用透明塑料筒（筒蓋直徑在2～4cm范圍內），如廣口的飲料瓶，內盛干燥石膏粉（或痱子粉）后，筒蓋中心取略小于蓋的大孔，在筒口和筒蓋之間夾一塊輕質紗布。將筒倒立并輕輕敲擊筒底，撒粉時要讓粉膜面積不超過淺水盤的一半[3]。也就解決了石膏粉要薄而均勻地被撒在淺水盤的水面上操作難度大的問題，同實驗所采用器具都是從生活中提取出來的，拉近物理實驗與生活的距離。

（2）控制滴液問題

用滴管（注射器）抽取1mL濃度為1‰的酒精油酸溶液，把滴管的活塞往上拉至側面孔的上方，使管內液面跟管外的大氣相通，管內溶液在重力和大氣壓的作用下，通過針孔形成自由滴[4]，滴液間隔時間約3s。先在水槽旁豎立滴管試滴4～5滴，然后大致勻速移到淺水盤水面中央上方（距水面1～2cm）滴入一滴溶液，便迅速移開滴管，此時可看到粉膜迅速向四周散開，而后回縮一些，最后在粉膜中央形成一塊形狀不規(guī)則的單分子層油膜。

把上一步操作中的滴管放在量筒上（選取恰能撐起注射器不至于落入量筒），量筒盛接下滴的溶液，仔細觀察滴管內的液面，當液面在某一刻度線上時（如a mL），開始計滴數(shù)，直至液面降到另一刻度線（如b mL），記下總滴數(shù)N和相應溶液體積V=a-b，然后用V0=V/N×1‰計算出一滴酒精油酸溶液中所含油酸的體積。

針對改進前的滴液問題，這樣的改進簡化了實驗的動手操作，讓學生認識到對實驗步驟的改進可以避免人為誤差的因素。

（3）油膜面積計算問題

針對這個問題，采用拍照法，巧妙規(guī)避人工數(shù)格帶來的費時、誤差大的問題。對根據(jù)油膜輪廓畫好的玻璃板進行拍照，分別對玻璃板和油膜輪廓進行選取，得到兩者的像素，由此就能得到油膜面積占總面積的百分比，只要再測得玻璃板的面積，通過計算就能得到比較準確的油膜面積。這一改進不僅吸引了學生的探知熱情，更是讓學生直觀體驗了如何將科學技術應用到物理實驗改進當中。

4.總結

基于對教材的分析以及對學生學習情況的了解，提出具體的改進策略，使得實驗改進不再為改進而改進，而是要結合學生的學習興趣、生活經驗和認知水平，為實驗的改進指出明確的方向。實驗“油膜法估測分子大小”是學生第一次進入微觀世界進行學習的必要過程，通過對實驗的改進，減小實驗系統(tǒng)誤差，增加實驗的趣味性和探索性。

參考文獻：

[1]丁麗娟.《單分子油膜法估測分子的大小》教學設計[J].物理教學探討，2014，（6）：73.

[2]吳強.用油膜法估測分子大小實驗中的科學方法——例談在實驗教學中顯性進行科學方法教育[J].中學物理教學參考，2013，42（09）：57-58.

[3]陳征燕.如何做好“用油膜法估測分子的大小”實驗[J].物理實驗，2002，22（7）：32-33.

[4]朱向陽，施國富. “用油膜法估測分子的大小”的幾點做法[J]. 中國教育技術裝備，2006，（06）：30-33.

作者簡介：

閔一恒（1992-），男，陜西西安人，2016級在讀碩士研究生，研究方向是中學物理教學。

張建民（1959-），博士，陜西師范大學物理學與信息技術學院教授，博士生導師，研究方向包括原子與分子物理和中學物理教育。