摘要：高中物理油膜法估測(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵是向配置好的油膜中撒入適當(dāng)?shù)酿蜃臃?，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(lái)控制的，這樣的話容易造成撒入的痱子粉量過(guò)多或過(guò)少導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。通過(guò)不斷的嘗試和對(duì)比論證，本實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵是能否準(zhǔn)確測(cè)量單分子油膜的面積和體積。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的基本原理：對(duì)面積的測(cè)量是通過(guò)量程的選擇來(lái)控制撒粉量，對(duì)體積的測(cè)定是通過(guò)校準(zhǔn)溶液的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：高中物理;油膜法;粉量的控制;面積計(jì)算;校準(zhǔn)體積

一、 實(shí)驗(yàn)時(shí)面臨的問(wèn)題

在本實(shí)驗(yàn)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(méi)有明確提出這個(gè)問(wèn)題，并且這個(gè)量的多少直接決定實(shí)驗(yàn)的成功與失敗。一般實(shí)驗(yàn)時(shí)，是靠肉眼去觀察所撒痱子粉的厚度來(lái)有效控制撒粉量的，但這樣會(huì)使撒粉量過(guò)多、過(guò)少而致使實(shí)驗(yàn)失敗。要正確測(cè)量薄膜的面積，首先要知道被測(cè)油膜面積的大概值，然后根據(jù)被測(cè)油膜面積的大概值選擇、設(shè)計(jì)、制作一個(gè)適合量程的試驗(yàn)器。也就是說(shuō)通過(guò)量程的選擇來(lái)控制撒粉量，但是現(xiàn)行教材編寫(xiě)時(shí)并沒(méi)有提出此類(lèi)方法，所以大多數(shù)教師為了提高實(shí)驗(yàn)成功率，降低實(shí)驗(yàn)誤差提出了各種各樣的器材。但是最核心的問(wèn)題就如何較準(zhǔn)確地測(cè)定單分子油膜的面積？用手撒向淺盤(pán)中痱子粉能否用一個(gè)準(zhǔn)確的量程試驗(yàn)器去替代？

另外我們要準(zhǔn)確校準(zhǔn)所配置溶液的體積，當(dāng)用手捏膠塞向試劑瓶滴入配置好的溶液時(shí)，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(wú)法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)等一系列問(wèn)題。

如果這兩個(gè)問(wèn)題得到解決，就改變了師生對(duì)本實(shí)驗(yàn)盲目的改進(jìn)情況，極大程度上提高了本實(shí)驗(yàn)成功率，降低了實(shí)驗(yàn)誤差，這也是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心要點(diǎn)。

二、 實(shí)驗(yàn)的觀察與分析

撒入淺盤(pán)中的痱子粉達(dá)到一定量時(shí)就具有了一定厚度，這個(gè)厚度代表了單個(gè)痱子粉在水表面排列的緊密程度。通過(guò)放大鏡觀察到粉膜與微粒之間的間隙變小，通過(guò)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(dāng)達(dá)到這種密集程度時(shí)，將事先配置好的油酸酒精溶液逐滴滴入淺盤(pán)，可以觀察到痱子粉中央部分區(qū)域在油酸酒精溶液的作用下向四周擴(kuò)展。由于油酸酒精溶液的擴(kuò)展使微粒之間的間隙逐漸減小，當(dāng)減小到與緊密排列時(shí)相差不多時(shí)，則可認(rèn)為它的面積擴(kuò)展到了最大。但混合在溶液中的酒精容易揮發(fā)，導(dǎo)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(kāi)始的面積適當(dāng)小的單層分子油膜層。

三、 單分子油膜面積大約值的得出（實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵）

由于高中物理課堂時(shí)間有限，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)首先由教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，那么確定實(shí)驗(yàn)器材的規(guī)格和相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件是最重要的一部分，所以被測(cè)面積的大約值是本實(shí)驗(yàn)條件的重要部分。需要由教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行確定，但是單分子油膜的面積不像實(shí)物中的紙片等，它的面積的大約值可以直接粗測(cè)或用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)而得。

根據(jù)前面的分析，我們建議在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照一滴油酸溶液擴(kuò)展成單分子油膜的面積占淺水盤(pán)面積的30%～40%來(lái)配置油酸溶液。把一滴油酸溶液擴(kuò)展成單層分子油膜的面積，看作被測(cè)單分子油膜面積的大約值，作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的首要條件。當(dāng)然，也可以給出一個(gè)被測(cè)面積的范圍值。把這個(gè)范圍作為實(shí)驗(yàn)條件就可以大大減小誤差。在之前的實(shí)驗(yàn)中，如果沒(méi)有這個(gè)條件的限制，學(xué)生得出的結(jié)果值會(huì)有天壤之別。

四、 實(shí)驗(yàn)器量程的改進(jìn)理論依據(jù)

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

依據(jù)上面的闡述，以淺水盤(pán)中心處為坐標(biāo)原點(diǎn)建立帶有毫米刻度的直角坐標(biāo)系，通過(guò)淺水盤(pán)底部的直角坐標(biāo)讀出粉膜內(nèi)圓的直徑。把這個(gè)類(lèi)比做我們的歐姆表，而淺水盤(pán)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(nèi)最大擴(kuò)展直徑等同于歐姆表的限值。

而現(xiàn)在的問(wèn)題是影響液膜的最大擴(kuò)展直徑的因素是什么？通過(guò)一系列分析可知，肯定與所撒的粉量有關(guān)。最大擴(kuò)展直徑就等同于電表中我們?cè)O(shè)定的最大值。而一定的撒粉量對(duì)應(yīng)一定量的擴(kuò)展直徑;一邊撒粉一邊可以測(cè)量試驗(yàn)器的量程，直到量程適度大于被測(cè)單分子油膜直徑為止。它的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)向淺水盤(pán)均勻吹氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就像歐姆表的測(cè)量一樣。當(dāng)向淺水盤(pán)均勻吹氣時(shí)，使水面上形成的氣將痱子粉推開(kāi)，在淺水盤(pán)中間位置形成了被粉膜包圍的圓形氣模區(qū)。當(dāng)吹氣氣壓足夠大時(shí)，粉膜面積就會(huì)達(dá)到了最大狀態(tài)，氣模區(qū)亦擴(kuò)展到最大面積，其直徑稱(chēng)氣膜最大擴(kuò)展直徑?，F(xiàn)在，我們需要找出氣膜最大面積與液膜最大面積的等量關(guān)系。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明，在直徑10～20cm內(nèi)，氣膜最大擴(kuò)展面積是液膜面積的1～0.96倍。所以，可近似認(rèn)為這兩個(gè)最大擴(kuò)展面積相等，因此，可把氣膜最大擴(kuò)展面積擴(kuò)展直徑看作試驗(yàn)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(pán)均勻地各個(gè)方向吹氣，根據(jù)圓盤(pán)底部彩色筆標(biāo)注的最大直徑進(jìn)行確定氣模的最大擴(kuò)展直徑。當(dāng)我們確定的最大擴(kuò)展直徑適度大于被測(cè)單分子油膜直徑的大值時(shí)，即可停止撒粉，從而得到合適的量程。此時(shí)，粉膜的密度恰到好處，就能夠有效地測(cè)量出單分子油膜的面積。吹起時(shí)要逐漸加力，直到氣膜區(qū)不再擴(kuò)展為止，即吹氣氣壓要超過(guò)最大擴(kuò)展面積對(duì)應(yīng)的最小氣壓。

五、 淺水盤(pán)的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)方法

1. 實(shí)驗(yàn)前教師先寫(xiě)出被測(cè)單分子油膜直徑的大概值。

2. 首先向淺盤(pán)中加入2cm的清水，然后均勻地在各個(gè)位置撒上痱子粉，由于液體表面張力，痱子粉向四周擴(kuò)散，當(dāng)穩(wěn)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(dāng)量程的試驗(yàn)器：

在淺水盤(pán)倒水之前，我們用顏色鮮艷的水彩筆以底盤(pán)為坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心畫(huà)上兩個(gè)同心圓，一個(gè)圓的直徑為被測(cè)值大約1.08倍，另一個(gè)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(wěn)定后，用嘴對(duì)著淺水盤(pán)的中心保持一定的距離均勻吹氣。一邊吹氣一邊透過(guò)淺水盤(pán)觀察油膜面積與盤(pán)底部的同心圓，如果氣膜的最大擴(kuò)展直徑大于淺盤(pán)底部的外同心圓，我們繼續(xù)撒適量的痱子粉直到粉膜合攏。這樣重復(fù)幾次，直到氣膜區(qū)周?chē)拿娣e位于這兩個(gè)同心圓之間時(shí)，停止撒痱子粉。這時(shí)試驗(yàn)器的量程就略大于被測(cè)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(kuò)展面積稍有收縮（酒精容易揮發(fā)），則表明實(shí)驗(yàn)成功。單層膜的形狀不規(guī)則，我們需要用玻璃板、彩筆、坐標(biāo)紙等去測(cè)量面積，大于半格的算一個(gè)小于半格的省去不計(jì)。假如撒粉過(guò)量使氣膜的最大面積直徑小于內(nèi)同心圓時(shí)，輕輕地用儀器從粉膜中心舀取少量的痱子粉（實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量使用新開(kāi)啟的痱子粉，在使用前后注意密封達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果）。

六、 校準(zhǔn)溶液的體積

1. 溶液的配置也是本實(shí)驗(yàn)不容忽視的一點(diǎn)，油酸和酒精的配置也是關(guān)鍵所在。配置溶液時(shí)分別測(cè)準(zhǔn)一滴油酸和一滴酒精的體積;根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xù)測(cè)定混合后的體積（因?yàn)榉肿娱g存在間距，可能是總體積減?。?。

2. 根據(jù)教材中的實(shí)驗(yàn)原理，當(dāng)面積測(cè)定后，還要準(zhǔn)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(jù)實(shí)驗(yàn)原理就可以計(jì)算出分子的直徑。在中學(xué)物理課本中介紹，學(xué)生用滴管吸取0.5mL的油酸酒精溶液時(shí)，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(shí)記下所滴液滴的滴數(shù)。但這樣做存在的問(wèn)題是：學(xué)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(wú)法記數(shù)等一系列問(wèn)題。給老師和學(xué)生的操作帶來(lái)了很大的考驗(yàn)。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，讓其盡量保證所滴液滴大小、均勻、連續(xù)滴入容量瓶。先用準(zhǔn)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(shí)，我們需將針頭豎直向上，用一些脫脂棉包住針頭，同時(shí)用力均勻地推動(dòng)活塞將多余的配置液吸去，準(zhǔn)確地校準(zhǔn)配置液的體積。隨后取掉脫脂棉，調(diào)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確記下1mL的配置液對(duì)應(yīng)的液滴數(shù)。一般情況下，當(dāng)面積和體積算出后，就認(rèn)為實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功了，這恰恰是老師和同學(xué)們最容易忽視的一個(gè)小問(wèn)題。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(méi)有洗干凈，第二次做實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)將盤(pán)中注入清水和撒下痱子粉之后，盤(pán)中的痱子粉會(huì)立即散開(kāi)，根本不能完成實(shí)驗(yàn)。

所以，當(dāng)我們用洗滌劑和清水洗過(guò)之后，反復(fù)清洗，并用干凈的棉布繼續(xù)擦拭塑料盤(pán)，直到完全清理殘留的油脂為止。

七、 不能忽略的3個(gè)細(xì)節(jié)

細(xì)節(jié)決定成敗，我們花了大量的時(shí)間使對(duì)面積和體積的測(cè)量更加準(zhǔn)確，但對(duì)于水盤(pán)，盤(pán)中水的深度以及水的溫度卻可能忽視。

（一）水盤(pán)的選擇

為了便于觀察和測(cè)定油膜的面積，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)之前，需要在盤(pán)底做出以盤(pán)底中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的毫米坐標(biāo)系，并用彩筆畫(huà)出上圖中的同心圓。一邊撒痱子粉一邊吹氣，同時(shí)與盤(pán)底的圓進(jìn)行對(duì)比，所以水盤(pán)應(yīng)該選透明的塑料盤(pán)，不能太大，要以實(shí)際實(shí)驗(yàn)為依據(jù)。水盤(pán)應(yīng)該水平放置，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量。

（二）水的深度

水的深度對(duì)實(shí)驗(yàn)也有影響，一般情況下水在 1cm～2cm。因?yàn)樗珳\，痱子粉不能完全散開(kāi);若水太深時(shí)，倒入盤(pán)中的水不能很快地靜止。而學(xué)生性子有比較急再加上一節(jié)課時(shí)間也比較短，為了趕時(shí)間撒上痱子粉后，由于水的流動(dòng)致使撒入的痱子粉也隨之運(yùn)動(dòng)，這樣散開(kāi)后的油膜形狀也不停地晃動(dòng)，致使油膜形狀不穩(wěn)定、不規(guī)則，從而導(dǎo)致面積測(cè)量誤差大。所以，要求學(xué)生倒入1.5cm并待穩(wěn)定后，才開(kāi)始撒痱子粉。

（三）對(duì)水溫度要求

對(duì)水溫的要求是最容易忽略的問(wèn)題，一般情況下，大多數(shù)開(kāi)設(shè)選修3-3的學(xué)校在冬季開(kāi)設(shè)本課，不同地區(qū)的溫度不同，況且同一地點(diǎn)在一天中不同的時(shí)段溫度也不一樣。最引起我注意的是，2019年同樣的實(shí)驗(yàn)在第三節(jié)課和下午第二節(jié)課做得實(shí)驗(yàn)誤差非常大。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，我們實(shí)驗(yàn)用的水是自來(lái)水管中的水，早上暖氣管溫度較高，而下午暖氣管溫度相對(duì)低一點(diǎn)。當(dāng)注意到這個(gè)問(wèn)題之后，在不同的班級(jí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水溫確實(shí)會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)。通過(guò)反復(fù)論證，水溫不能太高，一般在20℃時(shí)效果最佳。水溫過(guò)高，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，撒下痱子粉越不穩(wěn)定，油膜擴(kuò)散后的形狀隨時(shí)發(fā)生變化，這樣使面積變得極不規(guī)則，以至于面積的測(cè)定誤差變大。如果溫度太低，痱子粉擴(kuò)散太慢，會(huì)使油膜面積變小。這兩種都會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)完畢之后，必須把所有的實(shí)驗(yàn)用具擦洗干凈，只要準(zhǔn)確把握以上的幾點(diǎn)，我們可以大大降低實(shí)驗(yàn)誤差，為我們順利、成功完成實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

八、 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，看似簡(jiǎn)單的滴液的操作，卻蘊(yùn)含了大量物理方法，撒痱子粉的過(guò)程更是量程的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，再以均勻吹氣為實(shí)驗(yàn)的條件。從表面上，看本實(shí)驗(yàn)較簡(jiǎn)單，但真正從物理思維的角度來(lái)看，首先要進(jìn)行試驗(yàn)器直徑的量程的設(shè)計(jì)和制作，這是整個(gè)試驗(yàn)中最為關(guān)鍵的一步。然后，通過(guò)對(duì)撒粉和注射器的妙用，使本來(lái)乏味的實(shí)驗(yàn)增添了一絲探索性的趣味。

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作者簡(jiǎn)介：

張鐘靈，甘肅省定西市，甘肅省通渭縣第二中學(xué)。