油膜法模擬實(shí)驗(yàn)

在高中物理的熱運(yùn)動(dòng)一章中曾講到分子大小的粗略測(cè)定方法——油膜法。其原理是測(cè)出一滴油珠的直徑D，根據(jù)公式V=1/6πD^3求出這滴油珠的體積，把這一滴油珠滴在較大水面上，使其面積盡量擴(kuò)散開(kāi)，當(dāng)擴(kuò)散成單分子層油膜時(shí)，測(cè)出油膜的面積S，然后用公式 d=V/S求出油膜的厚度d。因?yàn)槭菃畏肿訉樱杂湍さ暮穸纫簿褪怯头肿拥闹睆健?

油膜法測(cè)分子大小的實(shí)驗(yàn)，在學(xué)校是不易做到的。例如，直徑為5mm油滴，把它滴在水面上，若擴(kuò)散成單分子層油膜，其面積大約是1．2×103m，相當(dāng)于邊長(zhǎng)是34．5m的正方形的面積。如此大的水面，一般的學(xué)校是無(wú)法做到的。因此，學(xué)生也就無(wú)法獲得油膜法測(cè)分子大小的感性認(rèn)識(shí)。

為了加深對(duì)油膜法測(cè)分子大小實(shí)驗(yàn)方法的理解，我在教學(xué)中，給學(xué)生安排了一次模擬實(shí)驗(yàn)。方法是用小口徑量筒量得20ml小m，倒在一張八開(kāi)紙上，把小m攤開(kāi)成一層，用刻度尺測(cè)出小m的面積S，然后計(jì)算出小m層的厚度，也就是小m的直徑了。實(shí)驗(yàn)時(shí)，量小m體積的量筒用小口徑的（例如口徑是10mm）為好，量得小m的體積比較精確。

做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生都用學(xué)生尺慢慢地把小m推攏成一個(gè)矩形，再測(cè)它的面積。這樣做當(dāng)然測(cè)得的面積值是比較準(zhǔn)確些，但作為油膜法的模擬，這種有意把小m推攏成矩形側(cè)面積的做法是不科學(xué)的，因?yàn)橛湍げ粫?huì)擴(kuò)散成規(guī)則的幾何形狀。正確的做法是在攤開(kāi)小m的過(guò)程中，把小m攤成任意形狀的平面，當(dāng)然盡可能讓小m一顆挨一顆。然后按實(shí)線所示的矩形測(cè)得近似的面積S，再計(jì)算出小m的厚度。這次實(shí)驗(yàn)，各小組測(cè)得小m的直徑約在1．14mm～1.31mm之間。在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，我用游標(biāo)卡尺測(cè)了六顆小m的直徑，約在1.26mm～1.32mm之間。

如果仔細(xì)觀察一下小m的形狀可以發(fā)現(xiàn)，小m是扁圓形的，把小m攤成單層以后，絕大多數(shù)小m都成平放狀態(tài)，很少是豎立起來(lái)的；再者，小m是固體，沒(méi)有流動(dòng)性，在自然攤成任意形狀平而的情況下，不易真正做到所有小m都是一顆挨一顆的，由于這些因素，把小m攤成平面面積比真實(shí)單層小m平均面積稍大，求得單層小m厚度比真實(shí)平均厚度稍小。若用油菜籽做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，效果會(huì)更好些。2100433B

本節(jié)的重點(diǎn)是掌握油膜法粗測(cè)分子的大小，記住一般分子直徑的數(shù)量級(jí)，能根據(jù)宏觀量和阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算微觀量.本節(jié)常見(jiàn)的題型為選擇題，定性分析較多，定量計(jì)算較少. 命題熱點(diǎn)是粗測(cè)分子大小的油膜法.

微觀量的計(jì)算，一般要用油膜法和估算法.計(jì)算微觀量，一般要涉及宏觀量和阿伏加德羅常數(shù).

⑴油膜法求分子的直徑.

將油膜視為單分子油膜，不考慮各油分子間的間隙，油膜分子視為球形，油分子的直徑等于油膜厚度.油分子的直徑

d=

[例1]將1 cm3的油酸溶于酒精，制成200 cm3的油酸酒精溶液.已知1 cm3的溶液有50滴，現(xiàn)取1滴油酸酒精溶于水，油酸在水面上形成一單分子薄層，已測(cè)出這一薄層的面積為0.2 m2，由此可估算油酸分子的直徑為_(kāi)______m.

解析：1滴油酸酒精溶液中油酸體積V=(10^-6 m^3/50)*(1 cm^3/200 cm^3)=10^-10 m^3，則油酸分子的直徑d=V/S=5×10^-10 m.

點(diǎn)評(píng)：除油膜法計(jì)算分子大小外，如果在已知分子的體積V的情況下，對(duì)固體，液體還有方法：①當(dāng)分子視為球體時(shí)，有V=4π（d/2）3/3=πd3/6,d=；②當(dāng)分子視為立方體時(shí)，d=.對(duì)氣體，因分子的間距很大，不考慮氣體分子的大小.

⑵估算法求微觀量.

估算是從已知條件出發(fā)，運(yùn)用與題設(shè)條件密切相關(guān)的物理概念，規(guī)律和常數(shù)，對(duì)要求的問(wèn)題作出合理的科學(xué)的估算的思維方法.

[例2]一熱水瓶中水的質(zhì)量約為2.2 kg，它所包含的水分子數(shù)目約為_(kāi)_____（取二位有效數(shù)字，阿伏加德羅常數(shù)取6.02×1023 mol-1）.

解析：水的摩爾質(zhì)量M=18×10-3 kg/mol，則2.2 kg水所含水分子數(shù)N=(m/M)NA=7.3×1025.

點(diǎn)評(píng)：解估算題的依據(jù)，就是一些物理理論，公式和一些常數(shù)，常識(shí)等.本節(jié)估算題常用的理論依據(jù)：對(duì)固體，液體而言，分子體積V分=V（物質(zhì)體積）/N（分子總數(shù)），其中V=m（物質(zhì)質(zhì)量）/ρ（密度）；VA（摩爾體積）=M（摩爾質(zhì)量）/ρ；某物質(zhì)的分子數(shù)N=nNA=(m/M)NA=(V/VA)NA.若物質(zhì)是氣體，則VA=22.4 L，當(dāng)未給V的壓強(qiáng)和溫度時(shí)，則把V就近似認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積.d（分子直徑）=V（油滴體積）/S（單分子油膜面積）.常數(shù)或常識(shí)有阿伏加德羅常數(shù)，摩爾質(zhì)量等.

⑴借比法理解"油膜法"的原理.

⑵模型法理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu).

物理上有許多模型，它可分為：①物體模型，如質(zhì)點(diǎn)，恒壓電源等；②狀態(tài)模型，如靜止，勻速運(yùn)動(dòng)等；③過(guò)程模型，如氣體的等溫過(guò)程等.物理上的"理想模型",就是為了便于研究問(wèn)題而建立的一種高度抽象的理想客體或理想過(guò)程."理想模型"是現(xiàn)實(shí)世界中找不到的東西，但是，"理想模型"是以客觀實(shí)在為原型的，是對(duì)客觀事物或過(guò)程的一種近似反映，它突出反映了客觀事物或過(guò)程的某一主要矛盾或主要特性，完全忽略了其他方面的矛盾或特性.物理學(xué)中創(chuàng)建的"理想模型",叫做"物理模型",也簡(jiǎn)稱模型.運(yùn)用"理想模型"及其理論解決問(wèn)題的方法就是模型法.

物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三種理想模型分別是：①把分子視為球形模型[V分=4π（d/2） 3/3=πd3/6]；②把分子視為立方體模型（V分=d3）；③每個(gè)氣體分子位于相同一個(gè)立方體的中心模型（把氣體分子理想地假設(shè)為：分子均勻分布，并且每個(gè)分子所占有的空間為相同的正立方體，氣體分子在立方體的中心.分子的平均間距等于正立方體的邊長(zhǎng)L，即d=L).

油膜剛度指油膜承載力對(duì)偏心距的導(dǎo)數(shù)，即油膜承載力增量與偏心距增量之比值。

中文名稱

油膜剛度

英文名稱

oil film stiffness

定　　義

油膜承載力對(duì)偏心距的導(dǎo)數(shù)，即油膜承載力增量與偏心距增量之比值。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），機(jī)械零件（二級(jí)學(xué)科），滑動(dòng)軸承（三級(jí)學(xué)科）

噴霧撞壁后，在壁面形成了油膜，從而出現(xiàn)了液滴二次霧化現(xiàn)象，引起蒸發(fā)速率下降，部分燃油甚至脫離了主要燃燒階段，液滴被氧化，以未燃碳?xì)浠衔锏男问脚懦?，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和低速、低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)。在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的研究中，人們發(fā)現(xiàn)缸套和活塞頂上的燃料油膜是產(chǎn)生較高 HC和 PM排放的重要原因。