用油膜法估測分子大小實驗的改進策略分析

摘要：高中物理油膜法估測分子大小的實驗中，實驗成功與否的關鍵是向配置好的油膜中撒入適當的痱子粉，而痱子粉量的多少一般是靠肉眼觀察所撒痱子粉的厚度來控制的，這樣的話容易造成撒入的痱子粉量過多或過少導致實驗失敗。通過不斷的嘗試和對比論證，本實驗成功與否的關鍵是能否準確測量單分子油膜的面積和體積。根據實驗的基本原理：對面積的測量是通過量程的選擇來控制撒粉量，對體積的測定是通過校準溶液的體積來實現的。

關鍵詞：高中物理;油膜法;粉量的控制;面積計算;校準體積

一、 實驗時面臨的問題

在本實驗中為了使油膜面積更加清晰，需要向油膜中撒入適量的痱子粉，那么到底撒多少呢？課本及資料中并沒有明確提出這個問題，并且這個量的多少直接決定實驗的成功與失敗。一般實驗時，是靠肉眼去觀察所撒痱子粉的厚度來有效控制撒粉量的，但這樣會使撒粉量過多、過少而致使實驗失敗。要正確測量薄膜的面積，首先要知道被測油膜面積的大概值，然后根據被測油膜面積的大概值選擇、設計、制作一個適合量程的試驗器。也就是說通過量程的選擇來控制撒粉量，但是現行教材編寫時并沒有提出此類方法，所以大多數教師為了提高實驗成功率，降低實驗誤差提出了各種各樣的器材。但是最核心的問題就如何較準確地測定單分子油膜的面積？用手撒向淺盤中痱子粉能否用一個準確的量程試驗器去替代？

另外我們要準確校準所配置溶液的體積，當用手捏膠塞向試劑瓶滴入配置好的溶液時，用力很難做到均勻，致使所滴液滴的大小不同，或所配置的溶液直接流到試劑瓶里，無法準確計數等一系列問題。

如果這兩個問題得到解決，就改變了師生對本實驗盲目的改進情況，極大程度上提高了本實驗成功率，降低了實驗誤差，這也是整個實驗的核心要點。

二、 實驗的觀察與分析

撒入淺盤中的痱子粉達到一定量時就具有了一定厚度，這個厚度代表了單個痱子粉在水表面排列的緊密程度。通過放大鏡觀察到粉膜與微粒之間的間隙變小，通過這種變小的間隙我們推斷出粉膜間的密集程度逐漸變大。當達到這種密集程度時，將事先配置好的油酸酒精溶液逐滴滴入淺盤，可以觀察到痱子粉中央部分區域在油酸酒精溶液的作用下向四周擴展。由于油酸酒精溶液的擴展使微粒之間的間隙逐漸減小，當減小到與緊密排列時相差不多時，則可認為它的面積擴展到了最大。但混合在溶液中的酒精容易揮發，導致油酸溶液的面積比剛才略有減小;最終形成的油酸溶液面積比剛開始的面積適當小的單層分子油膜層。

三、 單分子油膜面積大約值的得出（實驗成功的關鍵）

由于高中物理課堂時間有限，對物理實驗的學習首先由教師進行實驗的設計，那么確定實驗器材的規格和相關實驗條件是最重要的一部分，所以被測面積的大約值是本實驗條件的重要部分。需要由教師在設計實驗前進行確定，但是單分子油膜的面積不像實物中的紙片等，它的面積的大約值可以直接粗測或用經驗估計而得。

根據前面的分析，我們建議在做這個實驗時，按照一滴油酸溶液擴展成單分子油膜的面積占淺水盤面積的30%～40%來配置油酸溶液。把一滴油酸溶液擴展成單層分子油膜的面積，看作被測單分子油膜面積的大約值，作為學生分組實驗的首要條件。當然，也可以給出一個被測面積的范圍值。把這個范圍作為實驗條件就可以大大減小誤差。在之前的實驗中，如果沒有這個條件的限制，學生得出的結果值會有天壤之別。

四、 實驗器量程的改進理論依據

為了讓師生更明確掌握單分子油膜直徑試驗器的量程。我們可以將它比作一個測量電流的電流表。但它也有一定的條件，這個條件是粉膜內空腔為圓形向淺水盤中心收縮的面積。

依據上面的闡述，以淺水盤中心處為坐標原點建立帶有毫米刻度的直角坐標系，通過淺水盤底部的直角坐標讀出粉膜內圓的直徑。把這個類比做我們的歐姆表，而淺水盤底部的毫米刻度就像歐姆表上的刻度，而浮在液面上的油酸薄膜面積等同于歐姆表上的指針，粉膜內最大擴展直徑等同于歐姆表的限值。

而現在的問題是影響液膜的最大擴展直徑的因素是什么？通過一系列分析可知，肯定與所撒的粉量有關。最大擴展直徑就等同于電表中我們設定的最大值。而一定的撒粉量對應一定量的擴展直徑;一邊撒粉一邊可以測量試驗器的量程，直到量程適度大于被測單分子油膜直徑為止。它的實現是通過向淺水盤均勻吹氣來實現的，就像歐姆表的測量一樣。當向淺水盤均勻吹氣時，使水面上形成的氣將痱子粉推開，在淺水盤中間位置形成了被粉膜包圍的圓形氣模區。當吹氣氣壓足夠大時，粉膜面積就會達到了最大狀態，氣模區亦擴展到最大面積，其直徑稱氣膜最大擴展直徑。現在，我們需要找出氣膜最大面積與液膜最大面積的等量關系。通過大量的實驗證明，在直徑10～20cm內，氣膜最大擴展面積是液膜面積的1～0.96倍。所以，可近似認為這兩個最大擴展面積相等，因此，可把氣膜最大擴展面積擴展直徑看作試驗器的量程。

我們正常的做法是：一邊用手均勻地撒痱子粉，一邊用嘴向淺水盤均勻地各個方向吹氣，根據圓盤底部彩色筆標注的最大直徑進行確定氣模的最大擴展直徑。當我們確定的最大擴展直徑適度大于被測單分子油膜直徑的大值時，即可停止撒粉，從而得到合適的量程。此時，粉膜的密度恰到好處，就能夠有效地測量出單分子油膜的面積。吹起時要逐漸加力，直到氣膜區不再擴展為止，即吹氣氣壓要超過最大擴展面積對應的最小氣壓。

五、 淺水盤的改進與實驗方法

1. 實驗前教師先寫出被測單分子油膜直徑的大概值。

2. 首先向淺盤中加入2cm的清水，然后均勻地在各個位置撒上痱子粉，由于液體表面張力，痱子粉向四周擴散，當穩定后逐漸向中心合攏，就形成了密度均勻的粉膜。

3. 制作恰當量程的試驗器：

在淺水盤倒水之前，我們用顏色鮮艷的水彩筆以底盤為坐標原點為圓心畫上兩個同心圓，一個圓的直徑為被測值大約1.08倍，另一個為 1.3 倍。

將痱子粉撒到一定量后，它將慢慢向中心合攏，待穩定后，用嘴對著淺水盤的中心保持一定的距離均勻吹氣。一邊吹氣一邊透過淺水盤觀察油膜面積與盤底部的同心圓，如果氣膜的最大擴展直徑大于淺盤底部的外同心圓，我們繼續撒適量的痱子粉直到粉膜合攏。這樣重復幾次，直到氣膜區周圍的面積位于這兩個同心圓之間時，停止撒痱子粉。這時試驗器的量程就略大于被測量程，表明所撒粉膜的量恰好合適，如果最終形成油膜面積比最大擴展面積稍有收縮（酒精容易揮發），則表明實驗成功。單層膜的形狀不規則，我們需要用玻璃板、彩筆、坐標紙等去測量面積，大于半格的算一個小于半格的省去不計。假如撒粉過量使氣膜的最大面積直徑小于內同心圓時，輕輕地用儀器從粉膜中心舀取少量的痱子粉（實驗時盡量使用新開啟的痱子粉，在使用前后注意密封達到實驗效果）。

六、 校準溶液的體積

1. 溶液的配置也是本實驗不容忽視的一點，油酸和酒精的配置也是關鍵所在。配置溶液時分別測準一滴油酸和一滴酒精的體積;根據實驗要求按照1∶200的比例配置裝到小量筒中，使兩者全部溶解后繼續測定混合后的體積（因為分子間存在間距，可能是總體積減小）。

2. 根據教材中的實驗原理，當面積測定后，還要準確配置一定量的油酸酒精溶液，并有效求出一滴溶液的體積;根據實驗原理就可以計算出分子的直徑。在中學物理課本中介紹，學生用滴管吸取0.5mL的油酸酒精溶液時，是用手捏住滴管上端的膠塞的方式使溶液一滴一滴地滴回試劑瓶，同時記下所滴液滴的滴數。但這樣做存在的問題是：學生用手捏膠塞的力很難做到均勻，致使所滴液滴的大小不同或所配置的溶液直接流到試劑瓶里而無法記數等一系列問題。給老師和學生的操作帶來了很大的考驗。

為了克服這個問題，讓其盡量保證所滴液滴大小、均勻、連續滴入容量瓶。先用準備好的注射器吸取5mL配置好的溶液;假如一不小心吸入注射器的溶液大余5mL或小于5mL時，我們需將針頭豎直向上，用一些脫脂棉包住針頭，同時用力均勻地推動活塞將多余的配置液吸去，準確地校準配置液的體積。隨后取掉脫脂棉，調轉注射器的針頭，使其豎直向下，緩慢拔出注射器中的活塞。注射器中的配置液在自身重力的作用下，從注射器的針頭處逐滴滴到瓶中，準確記下1mL的配置液對應的液滴數。一般情況下，當面積和體積算出后，就認為實驗已經成功了，這恰恰是老師和同學們最容易忽視的一個小問題。當實驗結束后，很難用普通的清洗劑和清水除去留在器壁上的殘留油脂。假如第一次沒有洗干凈，第二次做實驗時，當將盤中注入清水和撒下痱子粉之后，盤中的痱子粉會立即散開，根本不能完成實驗。

所以，當我們用洗滌劑和清水洗過之后，反復清洗，并用干凈的棉布繼續擦拭塑料盤，直到完全清理殘留的油脂為止。

七、 不能忽略的3個細節

細節決定成敗，我們花了大量的時間使對面積和體積的測量更加準確，但對于水盤，盤中水的深度以及水的溫度卻可能忽視。

（一）水盤的選擇

為了便于觀察和測定油膜的面積，我們在實驗之前，需要在盤底做出以盤底中心為坐標原點的毫米坐標系，并用彩筆畫出上圖中的同心圓。一邊撒痱子粉一邊吹氣，同時與盤底的圓進行對比，所以水盤應該選透明的塑料盤，不能太大，要以實際實驗為依據。水盤應該水平放置，以便準確地進行測量。

（二）水的深度

水的深度對實驗也有影響，一般情況下水在 1cm～2cm。因為水太淺，痱子粉不能完全散開;若水太深時，倒入盤中的水不能很快地靜止。而學生性子有比較急再加上一節課時間也比較短，為了趕時間撒上痱子粉后，由于水的流動致使撒入的痱子粉也隨之運動，這樣散開后的油膜形狀也不停地晃動，致使油膜形狀不穩定、不規則，從而導致面積測量誤差大。所以，要求學生倒入1.5cm并待穩定后，才開始撒痱子粉。

（三）對水溫度要求

對水溫的要求是最容易忽略的問題，一般情況下，大多數開設選修3-3的學校在冬季開設本課，不同地區的溫度不同，況且同一地點在一天中不同的時段溫度也不一樣。最引起我注意的是，2019年同樣的實驗在第三節課和下午第二節課做得實驗誤差非常大。后來發現，我們實驗用的水是自來水管中的水，早上暖氣管溫度較高，而下午暖氣管溫度相對低一點。當注意到這個問題之后，在不同的班級通過實驗發現：水溫確實會影響本實驗。通過反復論證，水溫不能太高，一般在20℃時效果最佳。水溫過高，分子運動越激烈，撒下痱子粉越不穩定，油膜擴散后的形狀隨時發生變化，這樣使面積變得極不規則，以至于面積的測定誤差變大。如果溫度太低，痱子粉擴散太慢，會使油膜面積變小。這兩種都會引起實驗誤差。

當實驗完畢之后，必須把所有的實驗用具擦洗干凈，只要準確把握以上的幾點，我們可以大大降低實驗誤差，為我們順利、成功完成實驗打下良好的基礎。

八、 結語

綜上所述，看似簡單的滴液的操作，卻蘊含了大量物理方法，撒痱子粉的過程更是量程的設計和制作過程，再以均勻吹氣為實驗的條件。從表面上，看本實驗較簡單，但真正從物理思維的角度來看，首先要進行試驗器直徑的量程的設計和制作，這是整個試驗中最為關鍵的一步。然后，通過對撒粉和注射器的妙用，使本來乏味的實驗增添了一絲探索性的趣味。

參考文獻：

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[4]譚黔.油膜法測分子大小計算方法的剖析[J].中學物理，2016（6）.

作者簡介：

張鐘靈，甘肅省定西市，甘肅省通渭縣第二中學。