濃度及溫度對(duì)油酸分子直徑大小測(cè)量影響的探究

方明　岑麗

摘 要 油膜法估測(cè)分子直徑大小的實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之一。是利用宏觀的測(cè)量微觀量。本實(shí)驗(yàn)通過控制水溫以及油酸的濃度測(cè)量分子的直徑。研究表明當(dāng)油酸溶液濃度為1：500，常溫（20℃-25℃）下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，油酸分子直徑的測(cè)量值和理論值誤差較小。

關(guān)鍵詞 油膜法 溫度 濃度 分子直徑

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

油膜法估測(cè)分子直徑實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中唯一利用宏觀方法來測(cè)量微觀量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)提高學(xué)生對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有非常重要的意義。因此，該實(shí)驗(yàn)對(duì)未來學(xué)生的學(xué)習(xí)以及教師的教學(xué)影響巨大。

油膜法估測(cè)分子直徑實(shí)驗(yàn)操作要求嚴(yán)格，技術(shù)要求比較強(qiáng)，因此為了提高實(shí)驗(yàn)的成功率，很多學(xué)者采用不同的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定分子直徑。如平行光投射投影的方法、采用Photoshop軟件測(cè)量的和滴液滴的方法、滴管距離水面的高度、所用的儀器上都有做了相應(yīng)的研究;有的學(xué)者還用硬脂酸苯溶液代替油酸溶液，用碳粉或木炭粉代替痱子粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)油酸溶液濃度及水的溫度這兩個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量具有非常大的影響。本文主要通過控制油酸溶液濃度和水的溫度研究對(duì)油膜法測(cè)分子直徑的影響，為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。

溫度對(duì)分子的熱運(yùn)動(dòng)影響極大。因此，油膜法估測(cè)分子直徑大小的實(shí)驗(yàn)中，若環(huán)境溫度發(fā)生變化會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，水的溫度會(huì)對(duì)油酸分子擴(kuò)散成單分子層產(chǎn)生影響。水的溫度高，分子間的運(yùn)動(dòng)劇烈，油酸分子在水中運(yùn)動(dòng)得快，容易形成單分子油膜，隨著水溫的升高油酸分子擴(kuò)散速度增大，分子間的間距也逐漸增大。水溫過高時(shí)油酸分子間的間距大于形成單分子層時(shí)分子間距;當(dāng)水的溫度過低時(shí)，油酸分子在水中的運(yùn)動(dòng)受到抑制，不一定形成單分子層油膜層，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

利用控制變量法控制油酸溶液濃度不變，分別在不同的水溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，水溫主要通過恒溫棒進(jìn)行控制（見表1、表2）。

1水溫對(duì)油膜法估測(cè)分子直徑大小的影響

表2是油酸溶液濃度不同時(shí)，在不同溫度下油酸分子的直徑以及相對(duì)誤差。由上表數(shù)據(jù)知，當(dāng)濃度為1：300，T=20℃時(shí)，測(cè)得油酸分子直徑d=1.271？0-7cm，與理論值誤差為13.48%;T=25℃時(shí)，測(cè)得d=1.198？0-7cm，為6.96%，常溫下（20℃-30℃）實(shí)驗(yàn)測(cè)得油酸分子直徑大小與理論值的誤差范圍在11.33%-6.96%之間;濃度為1：400，T=20℃時(shí)，d=1.202？0-7cm， 為7.32%;T=25℃時(shí)，d=1.159？0-7cm， 為3.48%，常溫下（20℃-25℃）與理論值的誤差范圍在7.32%-3.48%之間;其他濃度下情況相同。由數(shù)據(jù)看出，不同濃度下，當(dāng)水的溫度低于20℃時(shí)，隨著水溫的降低，誤差逐漸增大;當(dāng)水的溫度高于25℃時(shí)，隨著水溫的升高，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論值的誤差也逐漸增大。同時(shí)在油酸溶液濃度為1：800下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)由于油酸溶液濃度過低，在痱子粉膜上滴入一滴油酸溶液后形成的油膜面積過小，當(dāng)水的溫度達(dá)到40℃后由于溫度過高，水面上的粉膜會(huì)快速溶在水中，導(dǎo)致形成的粉膜邊界不清晰無法準(zhǔn)確描繪出油膜的輪廓和進(jìn)行測(cè)量。

由此可看出，用油膜法測(cè)油酸分子直徑實(shí)驗(yàn)在常溫（20℃-25℃）下進(jìn)行測(cè)得的結(jié)果與真實(shí)值誤差相對(duì)較小。

2油酸溶液濃度對(duì)估測(cè)分子直徑大小的影響

在油膜法估測(cè)分子大小實(shí)驗(yàn)中，油酸溶液的濃度也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量產(chǎn)生一定影響。油酸溶液濃度過高時(shí)在水面上形成的單分子油膜面積過大，需要的盤子大會(huì)給操作帶來不便，同時(shí)不易準(zhǔn)確描繪出油膜面積。油酸濃度過小，油酸形成單分子膜后，分子間的間隙越大，分子占據(jù)的面積大于理論情況下的面積，使得測(cè)量值小于真實(shí)值，在水面上形成的單分子油膜面積小也不易準(zhǔn)確描繪出油膜面積，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量產(chǎn)生影響

從表2知在T=20℃下，當(dāng)濃度為1：300時(shí)，為13.48%;濃度為1：400時(shí)，為7.32%;濃度為1：500時(shí)，為2.51%;濃度為1：600時(shí)，為4.55%;濃度為1：700時(shí)，為9.91%;濃度為1：800時(shí)， 為7.5%。可得出在同一水溫下，隨著配置的油酸溶液濃度逐漸減小，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論值的誤差也逐漸減小，當(dāng)油酸溶液濃度減小到1：500時(shí)測(cè)得油酸分子直徑與理論值的誤差最小，但是隨著油酸溶液濃度的逐漸減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差反而增大，因此用油膜法估測(cè)分子直徑大小的油酸溶液濃度應(yīng)控制在1：500。

3結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得數(shù)據(jù)分析知，用油膜法估測(cè)油酸分子直徑實(shí)驗(yàn)在常溫（20℃-25℃）、油酸溶液濃度比值為1：500下進(jìn)行測(cè)得的結(jié)果與真實(shí)值誤差相對(duì)最小。

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