2023届高考物理二轮复习专题八第3讲热学、光学实验学案

第3讲　热学、光学实验

考点一　热学实验

(2022·上海浦东新区模拟)在“油膜法测分子直径”的实验中,某同学操作如下:

①取1.0 mL油酸配成250 mL油酸酒精溶液;

②用滴管吸取1.0 mL油酸酒精溶液逐滴滴入量筒,全部滴完共滴了20滴;

③在边长约10 cm的正方形浅盘内注入适量的水,将爽身粉均匀地撒在水面上,用滴管滴入一滴溶液;

④待油膜形状稳定后,将绘有方格的玻璃板放在浅盘上,绘出油酸膜的轮廓(如图所示),每个方格的边长为1.0 cm。

(1)该实验中一滴油酸酒精溶液含　　　　 mL油酸。 

(2)由上述数据估算得到油酸分子直径的数量级约为　　　　 m。 

(3)若该同学在计算油酸膜面积时,对不完整的方格均不计数,由此估算得到的油酸分子直径数量级将　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 

(4)已知油酸分子的直径约为8×10-10 m,该同学实验结果产生偏差的可能原因是　　　　　　,理由是　。 

解析:(1)该实验中一滴油酸酒精溶液含纯油酸体积V=× mL=2×10-4 mL。

(2)油膜的面积约为S=55×12×10-4m3=5.5×10-3 m3,

则分子直径d==m≈3.6×10-8 m,则油酸分子直径的数量级约为10-8 m。

(3)若该同学在计算油酸膜面积时,对不完整的方格均不计数,则算得的油膜的面积偏小,则由此估算得到的油酸分子直径偏大,但是数量级不变。

(4)已知油酸分子的直径约为8×10-10m,该同学实验结果产生偏差的可能原因是油酸膜没有充分展开,形成的并不是单分子油膜层,理由是2×10-10 m3的油酸若形成紧密排列的单分子膜时,膜面积约为0.25 m2,远大于浅盘内的水面面积,说明实际上油膜不可能仅是一层油酸分子构成的。

答案:(1)2×10-4　(2)10-8　(3)不变

(4)见解析

(2022·海南海口模拟)某同学应用如图1所示的装置做“探究气体等温变化的规律”的实验。

(1)设计了如下的实验步骤,其中有错误的步骤是　　　　(填步骤前的数字序号)。 

①利用注射器选取一段空气柱为研究对象,保持气体的质量和温度不变;

②把柱塞快速地向下压或向上拉,读取空气柱的长度l(可得到空气柱体积V)与压强p的几组数据;

③作出p-图像;

④改变空气柱或环境温度,重复实验。

(2)若图像中的各点位于过原点的同一条直线上,说明一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,压强与体积成　　　　(选填“正比”或“反比”)。图2是该同学在不同环境温度下,对同一段空气柱实验,得出的两条等温线a和b,对应的温度分别为Ta、Tb,则Ta　　　　(选填“>”“=”或“<”)Tb。 

解析:(1)步骤②中不应该把柱塞快速地向下压或向上拉,这样会导致气体温度发生变化。

(2)若图像中的各点位于过原点的同一条直线上,即pV=常数,说明一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,压强与体积成反比。

根据=C可得p=CT·,则在p-图像中,斜率越大,温度越高,则Ta>Tb

答案:(1)②　(2)反比　>

1.实验:用油膜法估测油酸分子的大小

(1)原理:认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成,在估测油酸分子大小的数量级时,把每个油酸分子简化为球体,认为油膜的厚度就是油酸分子的直径d=,如图。

(2)对“V”的测量。

①配制一定浓度的油酸酒精溶液,设其浓度为n。

②用注射器吸取一段油酸酒精溶液,读出它的体积为V0。

③再把它一滴滴地滴入烧杯中,记下液滴的总滴数N。

④则一滴油酸酒精溶液中,纯油酸的体积V=n。

(3)对“S”的测量。

①浅盘里盛水,把适量的爽身粉均匀撒在水面上。

②用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液,待油膜形状稳定后,将带方格的玻璃板放在浅盘上,在玻璃板上描下薄膜的形状。

③数出轮廓范围内正方形的个数n0,不足半个的舍去,多于半个的算一个。

④用正方形的个数乘单个正方形的面积S0(即n0S0)计算出油膜的面积S。

(4)注意事项。

①实验前应检查浅盘是否干净,如果有油渍将影响实验结果。

②在浅盘的中央加爽身粉且要适量,使爽身粉自动扩散均匀。

③由于油酸膜要经过先扩大后收缩的过程,因此画轮廓时要待油酸膜稳定后再画,画时视线要与玻璃板垂直。

④分子大小的数量级为10-10m,若不是则要重做实验。

2.实验:探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系

本实验应用物理实验中常用的控制变量法,探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程),气体的压强与体积的关系,如图所示。

(1)为保证等温变化,实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时,改变体积过程应缓慢,以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭,应在柱塞与注射器内壁间涂上润滑油,注射器内外气体的压强差不宜过大。

(2)实验中所用的压力表精度较高,而气柱体积是直接在注射器上读出的,其误差会直接影响实验结果。

(3)在等温过程中,气体的压强与体积的关系在p-V图像中呈现为双曲线,如图甲。处理实验数据时,要通过变换,即画p-图像,把双曲线变为直线,说明p和V成反比,如图乙。这是科学研究中常用的数据处理的方法,因为一次函数反映的物理规律比较直观,容易得出相关的对实验研究有用的参数。

1.(2022·海南海口一模)(1)某同学用油膜法估测油酸分子的大小,下列说法或操作正确的是　　　　。 

A.在量筒中只滴入一滴油酸酒精溶液,测出它的体积

B.实验时先将油酸酒精溶液滴入水中,然后再撒上爽身粉

C.计算油膜面积时只数完整的方格数,不是完整方格的不算

D.爽身粉若撒得过多,分子直径的测量值会偏大

(2)油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL溶液中有纯油酸1 mL。用注射器抽得1 mL上述溶液,共有液滴100滴。把1滴该溶液滴入撒有爽身粉的盛水的浅盘里,待水面稳定后,将玻璃板放在浅盘上,在玻璃板上描出油膜的轮廓,随后把玻璃板放在坐标纸上,其形状如图所示,坐标中正方形小方格的边长为2 cm。估测出油酸分子的直径是　　　 m。(结果保留1位有效数字) 

解析:(1)测量一滴油酸酒精溶液的体积时,应将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒,当量筒内溶液体积达到一定量时,记下溶液体积Vn和滴数n,为便于计算,n可取整数滴(如100滴),由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积,故A错误;实验时应先在浅盘的水中撒上爽身粉,再将油酸酒精溶液滴入水中,故B错误;计算油膜面积时,超过半格的算一格,不足半格的舍去,故C错误;爽身粉若撒得过多,则不利于油膜的散开,使油膜面积测量值偏小,从而使分子直径的测量值会偏大,故D正确。

(2)由题意可知1滴油酸酒精溶液所含纯油酸的体积为V0=× mL=1×10-5cm3,

油膜面积为S=55×4 cm2=220 cm2,

估测出油酸分子的直径是d=≈5×10-10m。

答案:(1)D　(2)5×10-10

2.(2022·上海黄浦区模拟)“用DIS研究在温度不变时,一定质量的气体压强与体积的关系”实验:

(1)封闭气体的压强p用　　　　传感器测量,体积V由　　　　　　　读出。 

(2)除了保持注射器内封闭气体的质量不变之外,还应该保持封闭气体的　　　　不变,采取的主要措施是缓慢推动活塞和　。 

(3)图线a、b、c是三位同学根据实验数据分别得到的p-V图像。若a、b是不重合的两条双曲线,c与b相交,则　　　　。 

A.a、b不重合是由于b气体质量大

B.a、b不重合是由于b气体温度高

C.产生c图线可能是因为容器密闭性不好

D.产生c图线可能是因为推动活塞过于快速

解析:(1)封闭气体的压强p用压强传感器测量,体积V由注射器上的刻度读出。

(2)除了保持注射器内封闭气体的质量不变之外,还应该保持封闭气体的温度不变,采取的主要措施是缓慢推动活塞和手不要握住注射器封闭有气体的部分。

(3)根据pV=CT,质量越大,则pV乘积越大,图像离原点越远;温度越高,pV乘积越大,图像离原点越远,则A、B错误;若压缩气体时,注射器密闭性不好,则质量减小,则pV乘积减小,则出现图像c的情况,选项C正确;若推动活塞过于快速,则气体的温度升高,则pV乘积会变大,不会出现图像c的情况,选项D错误。

答案:(1)压强　注射器上的刻度　(2)温度　手不要握住注射器封闭有气体的部分　(3)C

考点二　光学实验

(2021·浙江6月卷,18)图示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置。实验中:

(1)观察到较模糊的干涉条纹,要使条纹变得清晰,值得尝试的是　　　　。 

A.旋转测量头

B.增大单缝与双缝间的距离

C.调节拨杆使单缝与双缝平行

(2)要增大观察到的条纹间距,正确的做法是　　　　。 

A.减小单缝与光源间的距离

B.减小单缝与双缝间的距离

C.增大透镜与单缝间的距离

D.增大双缝与测量头间的距离

解析:(1)若粗调后看不到清晰的干涉条纹,看到的是模糊不清的条纹,则最可能的原因是单缝与双缝不平行;要使条纹变得清晰,值得尝试的是调节拨杆使单缝与双缝平行。故选C。

(2)根据Δx=λ可知要增大条纹间距可以增大双缝到测量头的距离l,减小双缝的间距d,故选D。

答案:(1)C　(2)D

(2022·江苏苏州模拟)某同学在做“测定玻璃折射率”的实验时已经画好了部分图线,如图甲所示,并在入射光线AO上插上大头针P1、P2,现需在玻璃砖下表面折射出的光线上插上P3和P4大头针,便能确定光在玻璃砖中的折射光线。

(1)确定P3位置的方法正确的是　　　　。 

A.透过玻璃砖,P3挡住P2的像

B.先插上P4大头针,在靠近玻璃砖一侧P3挡住P4的位置

C.透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像

(2)作出光线在玻璃砖中和出射后光线的光路图,并画出玻璃砖中光线的折射角θ2。

(3)经过多次测量作出sin θ1-sin θ2的图像如图乙,玻璃砖的折射率为　　　　。(结果保留3位有效数字) 

(4)若该同学在确定P4位置时,被旁边同学碰了一下,不小心把P4位置画的偏左了一些,则测出来的折射率　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 

(5)该同学突发奇想用两块同样的玻璃直角棱镜ABC来做实验,两者的AC面是平行放置的,插针P1、P2的连线垂直于AB面,若操作无误,则在图丙中右边的插针应该是　　　　。 

A.P3P6 B.P3P8 C.P5P6 D.P7P8

解析:(1)确定P3位置的方法正确的是透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像,故选C。

(2)光路如图1所示。

(3)根据n=可知,图像sin θ1-sin θ2的斜率等于折射率,由图像可知玻璃砖的折射率为n=≈1.49。

(4)若该同学在确定P4位置时,被旁边同学碰了一下,不小心把P4位置画得偏左了一些,则P4P3的连线与bb′的交点偏右,测得的折射角θ2偏大,则根据n=可知,测出来的折射率偏小。

(5)光路图如图2所示。

根据图2可知,经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处向下偏转,然后射入右侧玻璃砖后平行射出,所以在图中右边的插针应该是P5P6;故选C。

答案:(1)C　(2)见解析图1　(3)1.49　(4)偏小

(5)C

1.实验:测量玻璃的折射率

数据处理方法。

①计算法:由n=,算出不同入射角时的n值,并取平均值。

②图像法:作sin θ1-sin θ2图像,由n=可知其斜率为折射率。

③单位圆法:以入射点O为圆心,作半径为R的圆,如图所示,则sin θ1=,

sin θ2=,OE=OE′=R,所以用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n==。

2.实验:用双缝干涉实验测光的波长

(1)实验装置图及实验器材(如图)。

双缝干涉仪、光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。

(2)数据处理的方法。

①调节测量头,使分划板中心刻线对齐第1条亮条纹的中心,记下手轮上的读数a1。

②转动手轮,当分划板中心刻线与第n条相邻的亮条纹中心对齐时,记下手轮上的读数a2。

③相邻两条亮条纹间的距离Δx=,则由λ=Δx=得波长(d是双缝间距离,l是双缝到屏的距离)。

(3)注意事项。

①实验时应调整光源、单缝、双缝和毛玻璃屏、测量头共轴,单缝和双缝安装时应竖直且相互平行,遮光筒的轴线要与光具座导轨平行。若不共轴或单缝与双缝不平行则会引起干涉条纹亮度小,不清晰,不便于观察和测量。

②分划板上的中心刻线应与干涉条纹的亮(暗)线平行,否则会增大测量的误差。

③测量头有两种,一种相当于螺旋测微器,一种相当于游标卡尺。

3.(2022·福建漳州三模)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,实验装置如图甲所示。

(1)单缝宽度为h,双缝间距为d,双缝与屏距离为l,当采取下列四组数据中的哪一组时,可能在光屏上观察到清晰可辨的干涉条纹　　　　。 

A.h=10 mm,d=0.2 mm,l=10 cm

B.h=10 mm,d=10 mm,l=80 cm

C.h=1 mm,d=0.2 mm,l=80 cm

D.h=1 mm,d=10 mm,l=10 cm

(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某条纹的中心时,手轮上的示数如图乙所示,读数为　　　 mm。 

(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上,如图丙所示。则在这种情况下波长的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)实际值。 

解析:(1)光通过单缝后需形成线光源,因此h必须比较小;根据Δx=λ,双缝与屏的距离l越大,双缝间距d越小,干涉条纹间距越大,条纹越清晰。故选C。

(2)读数为4.5 mm+44.5×0.01 mm=4.945 mm。

(3)条纹与分划板中心刻线不平行时,实际值Δx实=Δx测cos θ,θ为条纹与分划板中心刻线间的夹角,故Δx实<Δx测,由Δx=λ得波长的测量值大于实际值。

答案:(1)C　(2)4.945　(3)大于

4.(2022·浙江杭州二模)某同学想测量一块平行玻璃砖的折射率。

(1)如图所示,该玻璃砖的A、B面光洁,C、D面粗糙,下列说法正确的是　　　　。(多选) 

A.如果A面被磨损会直接影响到折射率的测量

B.B面不宜直接用手去触碰

C.C面不宜直接用手去触碰

D.D面边缘有缺损不会影响到折射率的测量

(2)经过一系列正确的操作(如图),作图得到如图所示的图样,并测得A1A2=A2A4=40.0 mm,A1A3=20.0 mm,A4A5=12.8 mm,则该玻璃砖的折射率为　　　　(结果保留3位有效数字)。 

解析:(1)玻璃上下表面不平行也能测出折射率,所以如果A面被磨损不会直接影响到折射率的测量,故A错误;手拿玻璃砖时,手只能接触玻璃砖的粗糙面或棱,不能触摸光洁的光学面,故B正确,C错误;D面边缘有缺损不会影响到折射率的测量,故D正确。

(2)根据折射定律得n=,由几何关系得

sin i=,sin r=,联立可得

n=≈1.56。

答案:(1)BD　(2)1.56