用油膜法估测分子大小实验的改进策略分析

摘要：高中物理油膜法估测分子大小的实验中，实验成功与否的关键是向配置好的油膜中撒入适当的痱子粉，而痱子粉量的多少一般是靠肉眼观察所撒痱子粉的厚度来控制的，这样的话容易造成撒入的痱子粉量过多或过少导致实验失败。通过不断的尝试和对比论证，本实验成功与否的关键是能否准确测量单分子油膜的面积和体积。根据实验的基本原理：对面积的测量是通过量程的选择来控制撒粉量，对体积的测定是通过校准溶液的体积来实现的。

关键词：高中物理;油膜法;粉量的控制;面积计算;校准体积

一、 实验时面临的问题

在本实验中为了使油膜面积更加清晰，需要向油膜中撒入适量的痱子粉，那么到底撒多少呢？课本及资料中并没有明确提出这个问题，并且这个量的多少直接决定实验的成功与失败。一般实验时，是靠肉眼去观察所撒痱子粉的厚度来有效控制撒粉量的，但这样会使撒粉量过多、过少而致使实验失败。要正确测量薄膜的面积，首先要知道被测油膜面积的大概值，然后根据被测油膜面积的大概值选择、设计、制作一个适合量程的试验器。也就是说通过量程的选择来控制撒粉量，但是现行教材编写时并没有提出此类方法，所以大多数教师为了提高实验成功率，降低实验误差提出了各种各样的器材。但是最核心的问题就如何较准确地测定单分子油膜的面积？用手撒向淺盘中痱子粉能否用一个准确的量程试验器去替代？

另外我们要准确校准所配置溶液的体积，当用手捏胶塞向试剂瓶滴入配置好的溶液时，用力很难做到均匀，致使所滴液滴的大小不同，或所配置的溶液直接流到试剂瓶里，无法准确计数等一系列问题。

如果这两个问题得到解决，就改变了师生对本实验盲目的改进情况，极大程度上提高了本实验成功率，降低了实验误差，这也是整个实验的核心要点。

二、 实验的观察与分析

撒入浅盘中的痱子粉达到一定量时就具有了一定厚度，这个厚度代表了单个痱子粉在水表面排列的紧密程度。通过放大镜观察到粉膜与微粒之间的间隙变小，通过这种变小的间隙我们推断出粉膜间的密集程度逐渐变大。当达到这种密集程度时，将事先配置好的油酸酒精溶液逐滴滴入浅盘，可以观察到痱子粉中央部分区域在油酸酒精溶液的作用下向四周扩展。由于油酸酒精溶液的扩展使微粒之间的间隙逐渐减小，当减小到与紧密排列时相差不多时，则可认为它的面积扩展到了最大。但混合在溶液中的酒精容易挥发，导致油酸溶液的面积比刚才略有减小;最终形成的油酸溶液面积比刚开始的面积适当小的单层分子油膜层。

三、 单分子油膜面积大约值的得出（实验成功的关键）

由于高中物理课堂时间有限，对物理实验的学习首先由教师进行实验的设计，那么确定实验器材的规格和相关实验条件是最重要的一部分，所以被测面积的大约值是本实验条件的重要部分。需要由教师在设计实验前进行确定，但是单分子油膜的面积不像实物中的纸片等，它的面积的大约值可以直接粗测或用经验估计而得。

根据前面的分析，我们建议在做这个实验时，按照一滴油酸溶液扩展成单分子油膜的面积占浅水盘面积的30%～40%来配置油酸溶液。把一滴油酸溶液扩展成单层分子油膜的面积，看作被测单分子油膜面积的大约值，作为学生分组实验的首要条件。当然，也可以给出一个被测面积的范围值。把这个范围作为实验条件就可以大大减小误差。在之前的实验中，如果没有这个条件的限制，学生得出的结果值会有天壤之别。

四、 实验器量程的改进理论依据

为了让师生更明确掌握单分子油膜直径试验器的量程。我们可以将它比作一个测量电流的电流表。但它也有一定的条件，这个条件是粉膜内空腔为圆形向浅水盘中心收缩的面积。

依据上面的阐述，以浅水盘中心处为坐标原点建立带有毫米刻度的直角坐标系，通过浅水盘底部的直角坐标读出粉膜内圆的直径。把这个类比做我们的欧姆表，而浅水盘底部的毫米刻度就像欧姆表上的刻度，而浮在液面上的油酸薄膜面积等同于欧姆表上的指针，粉膜内最大扩展直径等同于欧姆表的限值。

而现在的问题是影响液膜的最大扩展直径的因素是什么？通过一系列分析可知，肯定与所撒的粉量有关。最大扩展直径就等同于电表中我们设定的最大值。而一定的撒粉量对应一定量的扩展直径;一边撒粉一边可以测量试验器的量程，直到量程适度大于被测单分子油膜直径为止。它的实现是通过向浅水盘均匀吹气来实现的，就像欧姆表的测量一样。当向浅水盘均匀吹气时，使水面上形成的气将痱子粉推开，在浅水盘中间位置形成了被粉膜包围的圆形气模区。当吹气气压足够大时，粉膜面积就会达到了最大状态，气模区亦扩展到最大面积，其直径称气膜最大扩展直径。现在，我们需要找出气膜最大面积与液膜最大面积的等量关系。通过大量的实验证明，在直径10～20cm内，气膜最大扩展面积是液膜面积的1～0.96倍。所以，可近似认为这两个最大扩展面积相等，因此，可把气膜最大扩展面积扩展直径看作试验器的量程。

我们正常的做法是：一边用手均匀地撒痱子粉，一边用嘴向浅水盘均匀地各个方向吹气，根据圆盘底部彩色笔标注的最大直径进行确定气模的最大扩展直径。当我们确定的最大扩展直径适度大于被测单分子油膜直径的大值时，即可停止撒粉，从而得到合适的量程。此时，粉膜的密度恰到好处，就能够有效地测量出单分子油膜的面积。吹起时要逐渐加力，直到气膜区不再扩展为止，即吹气气压要超过最大扩展面积对应的最小气压。

五、 浅水盘的改进与实验方法

1. 实验前教师先写出被测单分子油膜直径的大概值。

2. 首先向浅盘中加入2cm的清水，然后均匀地在各个位置撒上痱子粉，由于液体表面张力，痱子粉向四周扩散，当稳定后逐渐向中心合拢，就形成了密度均匀的粉膜。

3. 制作恰当量程的试验器：

在浅水盘倒水之前，我们用颜色鲜艳的水彩笔以底盘为坐标原点为圆心画上两个同心圆，一个圆的直径为被测值大约1.08倍，另一个为 1.3 倍。

将痱子粉撒到一定量后，它将慢慢向中心合拢，待稳定后，用嘴对着浅水盘的中心保持一定的距离均匀吹气。一边吹气一边透过浅水盘观察油膜面积与盘底部的同心圆，如果气膜的最大扩展直径大于浅盘底部的外同心圆，我们继续撒适量的痱子粉直到粉膜合拢。这样重复几次，直到气膜区周围的面积位于这两个同心圆之间时，停止撒痱子粉。这时试验器的量程就略大于被测量程，表明所撒粉膜的量恰好合适，如果最终形成油膜面积比最大扩展面积稍有收缩（酒精容易挥发），则表明实验成功。单层膜的形状不规则，我们需要用玻璃板、彩笔、坐标纸等去测量面积，大于半格的算一个小于半格的省去不计。假如撒粉过量使气膜的最大面积直径小于内同心圆时，轻轻地用仪器从粉膜中心舀取少量的痱子粉（实验时尽量使用新开启的痱子粉，在使用前后注意密封达到实验效果）。

六、 校准溶液的体积

1. 溶液的配置也是本实验不容忽视的一点，油酸和酒精的配置也是关键所在。配置溶液时分别测准一滴油酸和一滴酒精的体积;根据实验要求按照1∶200的比例配置装到小量筒中，使两者全部溶解后继续测定混合后的体积（因为分子间存在间距，可能是总体积减小）。

2. 根据教材中的实验原理，当面积测定后，还要准确配置一定量的油酸酒精溶液，并有效求出一滴溶液的体积;根据实验原理就可以计算出分子的直径。在中学物理课本中介绍，学生用滴管吸取0.5mL的油酸酒精溶液时，是用手捏住滴管上端的胶塞的方式使溶液一滴一滴地滴回试剂瓶，同时记下所滴液滴的滴数。但这样做存在的问题是：学生用手捏胶塞的力很难做到均匀，致使所滴液滴的大小不同或所配置的溶液直接流到试剂瓶里而无法记数等一系列问题。给老师和学生的操作带来了很大的考验。

为了克服这个问题，让其尽量保证所滴液滴大小、均匀、连续滴入容量瓶。先用准备好的注射器吸取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时，我们需将针头竖直向上，用一些脱脂棉包住针头，同时用力均匀地推动活塞将多余的配置液吸去，准确地校准配置液的体积。随后取掉脱脂棉，调转注射器的针头，使其竖直向下，缓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，从注射器的针头处逐滴滴到瓶中，准确记下1mL的配置液对应的液滴数。一般情况下，当面积和体积算出后，就认为实验已经成功了，这恰恰是老师和同学们最容易忽视的一个小问题。当实验结束后，很难用普通的清洗剂和清水除去留在器壁上的残留油脂。假如第一次没有洗干净，第二次做实验时，当将盘中注入清水和撒下痱子粉之后，盘中的痱子粉会立即散开，根本不能完成实验。

所以，当我们用洗涤剂和清水洗过之后，反复清洗，并用干净的棉布继续擦拭塑料盘，直到完全清理残留的油脂为止。

七、 不能忽略的3个细节

细节决定成败，我们花了大量的时间使对面积和体积的测量更加准确，但对于水盘，盘中水的深度以及水的温度却可能忽视。

（一）水盘的选择

为了便于观察和测定油膜的面积，我们在实验之前，需要在盘底做出以盘底中心为坐标原点的毫米坐标系，并用彩笔画出上图中的同心圆。一边撒痱子粉一边吹气，同时与盘底的圆进行对比，所以水盘应该选透明的塑料盘，不能太大，要以实际实验为依据。水盘应该水平放置，以便准确地进行测量。

（二）水的深度

水的深度对实验也有影响，一般情况下水在 1cm～2cm。因为水太浅，痱子粉不能完全散开;若水太深时，倒入盘中的水不能很快地静止。而学生性子有比较急再加上一节课时间也比较短，为了赶时间撒上痱子粉后，由于水的流动致使撒入的痱子粉也随之运动，这样散开后的油膜形状也不停地晃动，致使油膜形状不稳定、不规则，从而导致面积测量误差大。所以，要求学生倒入1.5cm并待稳定后，才开始撒痱子粉。

（三）对水温度要求

对水温的要求是最容易忽略的问题，一般情况下，大多数开设选修3-3的学校在冬季开设本课，不同地区的温度不同，况且同一地点在一天中不同的时段温度也不一样。最引起我注意的是，2019年同样的实验在第三节课和下午第二节课做得实验误差非常大。后来发现，我们实验用的水是自来水管中的水，早上暖气管温度较高，而下午暖气管温度相对低一点。当注意到这个问题之后，在不同的班级通过实验发现：水温确实会影响本实验。通过反复论证，水温不能太高，一般在20℃时效果最佳。水温过高，分子运动越激烈，撒下痱子粉越不稳定，油膜扩散后的形状随时发生变化，这样使面积变得极不规则，以至于面积的测定误差变大。如果温度太低，痱子粉扩散太慢，会使油膜面积变小。这两种都会引起实验误差。

当实验完毕之后，必须把所有的实验用具擦洗干净，只要准确把握以上的几点，我们可以大大降低实验误差，为我们顺利、成功完成实验打下良好的基础。

八、 结语

综上所述，看似简单的滴液的操作，却蕴含了大量物理方法，撒痱子粉的过程更是量程的设计和制作过程，再以均匀吹气为实验的条件。从表面上，看本实验较简单，但真正从物理思维的角度來看，首先要进行试验器直径的量程的设计和制作，这是整个试验中最为关键的一步。然后，通过对撒粉和注射器的妙用，使本来乏味的实验增添了一丝探索性的趣味。

参考文献：

[1]夏艳萍.用油膜法估测分子大小实验技巧[J].物理通报，2010（1）：93.

[2]霍建宏.用油膜法估测分子大小实验的改进[J].实验教学与仪器，2002（Z1）.

[3]杨小平.“油膜法”实验的量程设计及实验方法[J].中学物理教学参考，2011（6）.

[4]谭黔.油膜法测分子大小计算方法的剖析[J].中学物理，2016（6）.

作者简介：

张钟灵，甘肃省定西市，甘肃省通渭县第二中学。