“用油膜法估測分子大小”改編題型中的科學性錯誤

“用油膜法估測分子大小”改編題型中的科學性錯誤

莊勇飛

(江蘇省錫山高級中學江蘇 無錫214174)

摘 要：“用油膜法估測分子大小” 可以把油酸分子簡化為球形，測出油膜的厚度d，就認為是油酸分子的直徑，這只是在估測油酸分子大小的數量級時的簡化處理，而對于其直徑數值的估算，偏差是非常大的，通過下面的幾個例子可以看出，我們不應該將這種簡化的模型來處理更多的計算，特別是對基本物理學常數——阿伏伽德羅常數的計算．

關鍵詞：估測數量級計算

收稿日期：(2015-05-19)

估測法是利用物理概念、規律、物理常數和常識對物理量的數值、數量級以及取值范圍合理估測的近似方法[1]．“用油膜法估測分子大小”，是最早測量分子大小的一種方法．自1997年開始使用的全日制高級中學物理教科書開設該實驗以來，各種版本的教材中都保留了該實驗．該實驗利用的用宏觀量來測量微觀量的實驗方法是科學研究的重要方法之一，該實驗又是高中物理學生實驗中唯一體現該方法的實驗．學生在認識微觀世界的過程中，對分子直徑的數量級有了清晰的感性認識，進一步認識了物理模型在物理研究中的重要價值，啟迪學生處理微觀問題的思路，為正確解決關于微觀世界的實際問題做了鋪墊．

人教版《物理·選修3-3》第七章第1節中對“怎樣估算油酸分子的大小”做了詳細的論述：“把很小一滴油酸滴在水面上，水面上會形成一塊油酸薄膜，薄膜是由單層的油酸分子組成的．盡管油酸分子有著復雜的結構和形狀，但在估測其大小的數量級時，可以把它簡化為球形，示意圖如圖1所示.測出油膜的厚度d，就是油酸分子的直徑．”[2]

這段話中有一個非常關鍵的點“在估測其大小的數量級時”，也就是說，該種模型的處理方法對數量級的估測是沒有問題的，但對粗略測定油酸分子的直徑，會出現較大的偏差．

圖1

在2013年某地的高考模擬試卷上有這樣一個問題：用單分子油膜法測出油酸分子(視為球形)直徑后，還需要下列哪一個物理量就可以計算出阿伏伽德羅常數

A．油滴的體積

B．油滴的質量

C．油酸的摩爾體積

D．油酸的摩爾質量

從純粹計算上說，知道了摩爾體積當然就能算出阿伏伽德羅常數，但正如筆者前面所說，油膜法估測的只是分子直徑的數量級，而在測算分子大小上面偏差較大，所以用該數據計算出來的阿伏伽德羅常數必然偏差也較大，只能保證其在數量級上準確而已，筆者認為，阿伏伽德羅常數作為一個物理學中非常重要的常數，就算我們要近似計算其數值，也不應該有太大的偏差，何況是偏離實際值30%以上．因此根本就不應該用這樣的方法來求阿伏伽德羅常數，這對學生是一種不科學的引導．

我們不妨從另一個角度來考慮這個問題，油膜的面積當然也可以是分子總個數與每個分子截面積的乘積，即

計算得

作為一個高考題，正是因為編者對油膜法的相關計算采用了常規化的思考方式，而沒有考慮到其他非常規的求解法，致使本題有兩個不同的答案，就算題中要求保留一位有效數字，依然未能化解兩個答案的不同，由此也可知，油膜法估測在數值上的偏差之大．

更有甚者，在許多教輔材料中，有選編了某地的模擬考試題：利用單分子油膜法可以粗測分子的大小和阿伏加德羅常數，如果已知體積為V的一滴油在水面上散開形成的單分子油膜的面積為S，這種油的摩爾質量為M，密度為ρ，則阿伏加德羅常數NA可表示為？

本題給出的標準解答是

得

但是，我們班上也有好多學生做出來是

得

通過上述幾個例子的分析，我們可以看到，我們對于一種方法的理解和應用，首先應該是正確理解課本，從課本所給出的科學定義出發，而不要隨意的對其改編，最后變得曲解了課本的原意，扭曲了科學的事實．

參 考 文 獻

1馮杰. 高中物理探究實驗及案例教學設計. 北京：北京大學出版社，2011. 139

2普通高中課程標準實驗教科書.物理·選修3-3.北京：人民教育出版社，2010.2