专题17 光学与热学实验-高考物理二轮复习讲练测（全国通用）

高考物理二轮复习讲练测

专题17 光学与热学实验（精讲）

【知识体系构建】

【典例方法突破】

一、测量玻璃的折射率

【例1】（2022年北京三模）在“测定玻璃的折射率”的实验中，实验小组在白纸上放好玻璃砖MNPQ，画出玻璃砖与空气的两个界面aa'和bb'（如图）。

（1）实验小组内的三位学生在实验中

①第一位学生在纸上正确画出了玻璃砖的两个折射面aa′和bb′。因不慎碰动了玻璃砖，使它向aa′方向平移了一点（如图1所示），以后的操作都正确无误，并仍以aa′和bb′为折射面画出了光路图，这样测出的折射率n的值将_____（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）；

②第二位学生为了避免笔尖触划玻璃砖的折射面，画出的aa′和bb′都比实际的折射面向外侧平移了一些（如图2所示）以后的操作都正确无误，并仍以aa′和bb′为折射面画出了光路图，这样测出的折射率n的值将_____（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）；

③第三位学生的操作和所画的光路图都正确无误，只是所用的玻璃砖的两个折射面不平行（如图3所示）。用这块玻璃砖测出的折射率n的值将_____（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）；

（2）另一实验小组的甲、乙、丙、丁四位同学实验中得到如图所示的插针结果，由图可知

①从图上看，肯定把针插错了的同学是_____；

②从图上看，测量结果准确度最高的同学是_____。

【答案】     不变     偏小     不变     甲、乙     丁

【详解】（1）[1]同学1光路图，如图

由图可知角度保持不变，所以n的值不变。

[2]同学2光路图，如图

由图可知其中变大，则n变小，即测量值偏小。

[3]同学3光路图，如图

由于测量操作无误，所以测量值等于真实值，即不变。

（2）[4]根据结果画出的光路图如图所示

连线可以发现，甲的折射光线与入射光线处于法线的一侧，针插错了。乙同学的入射光线与折射光线在同一直线上，肯定针也插错了。

[5]丁同学插针的位置距离较大，误差较小，所以测量结果准确度更高。

【例2】（2022年浙江联考）小显和小涛同学“用插针法测玻璃棱镜的折射率”

（1）小显同学按实验步骤，先在纸上插下二枚大头针P1、P2，然后在玻璃棱镜的另一侧插下另外二枚大头针，如图（1）所示．则插针一定错误的是_______（填“P3P4＂或＂P5P6”）按实验要求完成光路图____，并标出相应的符号，所测出的玻璃棱镜的折射率n＝_______．

（2）小涛同学突发奇想，用两块同样的玻璃直角三棱镜ABC来做实验，两者的AC面是平行放置的，如图（2）所示．插针P1、P2的连线垂直于AB面，若操作正确的话，则在图（2）中右边的插针应该是________（选填＂P3P4＂、＂P3P6＂、＂P5P4＂、＂P5P6）

【答案】                   

【详解】（1）光线经三棱镜折射后应该偏向底边，故插针一定错误的是“P5P6”； 光路如图；

根据光的折射定律：

（2）根据光路图可知，经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处后向下偏，然后射入右侧玻璃砖后平行射出，则图（2）中右边的插针应该是P5P6；

【方法规律归纳】

1.实验目的:测定玻璃的折射率,掌握光发生折射的入射角和折射角的确定方法。

2.实验原理:用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O'B,确定出O'点,画出折射光线OO',然后测量出角θ1和θ2,根据n=计算玻璃的折射率。

3.测量玻璃的折射率实验中数据处理的方法

(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=,lOE=lOE'=R，所以

用刻度尺量出lEH、lE'H'的长度就可以求出n=。

二、用双缝干涉测量光的波长

【例3】（2022年福建漳州三模）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___________。（填正确答案标号）

A．     B．

C．       D．

（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________。

（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__________（填“大于”、“小于”或“等于”）实际值。

【答案】     C     4.945—4.944     大于

【详解】（1）[1]光通过单缝后需形成线光源，因此h必须比较小；根据，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）[2]手轮上分度值为0.01mm，故读数为

（3）[3]条纹与分划板中心刻线不平行时，实际值为条纹与分划板中心刻线间的夹角，故，由得波长的测量值大于实际值。

【例4】（2022年北京东城二模）同学们利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源（灯泡）正常发光，调整仪器从目镜中可以观察到干涉条纹。

(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，下列操作可行的是__________；

A．将单缝向双缝靠近

B．将屏向靠近双缝的方向移动

C．将屏向远离双缝的方向移动

D．使用间距更小的双缝

(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条亮纹中央到第n条亮纹中央间距离为x，则单色光的波长_________；

(3)若只将滤光片去掉，下列说法正确的是_________；

A．屏上出现彩色衍射条纹，中央是紫色亮纹

B．屏上出现彩色衍射条纹，中央是白色亮纹

C．屏上出现彩色干涉条纹，中央是红色亮纹

D．屏上出现彩色干涉条纹，中央是白色亮纹

(4)随着学习的不断深入，同学们对光的本性有了更为丰富的认识。现在我们知道光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

①在双缝干涉实验中，某个光子打在光屏上落点的准确位置_________（选填“可以”或“不可以”）预测；

②在光电效应实验中，用紫外线照射锌板可以使光电子离开锌板，如果只增加紫外线的照射强度光电子的最大初动能是否会增加。请说明你的观点及依据________________。

【答案】     B          D     不可以     见解析

【详解】(1)[1]增加从目镜中观察到的条纹个数，则条纹的宽度减小，根据相邻亮条纹间的距离为为减小相邻亮条纹（暗条纹）间的宽度，可增大双缝间距离或减小双缝到屏的距离；故B正确，ACD错误。

故选B。

(2)[2]第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为x，则两个相邻明纹（或暗纹）间的距离为：

则单色光的波长为：

(3)[3]如果没有插滤光片，各种颜色的光都会发生干涉，在光屏的中央出现白色条纹，两边是彩色条纹，故D正确，ABC错误。故选D。

(4)①[4]在光的双缝干涉实验中，某个光子打在光屏上的落点不可以预测，但大量光子打在光屏上将形成明暗相间的干涉条纹，这说明光子落在各点的概率是不一样的，光子落在明条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小，光子在空间出现的概率遵循波动规律，所以光波是一种概率波；

②[5]只增加紫外线的照射强度不会增加光电子的最大初动能。根据爱因斯坦的光电效应方程，光电子的最大初动能与光的频率及金属的逸出功有关，与光的强度无关。因此当光的频率及金属的逸出功不变时，只增加紫外线的照射强度，光电子的最大初动能不变。

【方法规律归纳】

1.实验目的:观察双缝干涉图样;测定单色光的波长。

2.实验原理:相邻两条明条纹间距Δx与入射光波长λ,双缝S1、S2的间距d及双缝与屏的距离l满足关系式。

3.用双缝干涉测量光的波长实验中数据处理的方法

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

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

(3)相邻两条纹间的距离Δx=。

三、用油膜法估测分子的大小

【例5】（2022年上海徐汇一模） 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1.0mL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，将痱子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： _______。

【答案】     2×10−4     10−8     不变     油酸膜可能没有充分展开，形成的并不是单分子油膜层     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

【详解】（1）[1]该实验中一滴油酸酒精溶液含纯油酸

（2）[2]油膜的面积约为S=55×12×10-4m3 =5.5×10-3m3则分子直径

则油酸分子直径的数量级约为10-8m；

（3）[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）[4][5]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：油酸膜可能没有充分展开，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。

【例6】（2022年北京中关村三模）(1)在做“用油膜法估测分子的大小”的实验时，已经准备的器材有∶油酸酒精溶液、滴管、浅盘和水、玻璃板、彩笔、痱子粉、坐标纸、试剂瓶，要完成本实验，还欠缺的器材有_______________。

(2)在用油膜法粗测分子直径的实验中，①滴在水面的是油酸酒精溶液而不是纯油酸，这是因为____________；

②在将油酸酒精溶液滴向水面前，要先在水面上均匀撒些痱子粉，这样做是为了_________________。

(3)如图反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的4个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是____________（用符号表示）。

(4)在做“用油膜法估测分子大小”的实验中，已知实验室中使用的油酸酒精溶液的体积浓度为A，又用滴管测得N滴这种油酸酒精溶液的总体积为V，将一滴这种溶液滴在浅盘中的水面上，在玻璃板上描出油膜的边界线，再把玻璃板放在画有边长为a的正方形小格的纸上，如图所示，测得油膜占有的小正方形个数为x。

①用以上字母表示油酸分子直径的大小d=________；

②从图中数得油膜占有的小正方形个数为x=_____________。

【答案】     量筒     纯油酸粘滞力较大，滴在水面不易形成单分子油膜，而油酸酒精溶液滴在水面容易形成单分子油膜     界定油膜的边界     dacb          110（108~112均正确）

【详解】(1)[1]在本实验中，要用量筒量取酒精和油酸，从而配置酒精油酸溶液，现在水槽中撒上痱子粉，在将用酒精稀释过的油酸用滴管滴到水面上，将玻璃板盖在水槽上，在玻璃板上铺上坐标纸，用彩笔画出油膜的边界，用数格子的方法得出形成的面积，则可根据体积公式求得分子直径，故实验还需要量筒。

(2)[2][3]实验中滴在水面上的是油酸酒精溶液而不是纯油酸，这是因为纯油酸粘滞系数较大，滴在睡水面不易形成单分子油膜，而油酸酒精溶液滴在水面容易形成单分子油膜。在滴入油滴之前，要先在水面上均匀撒上痱子粉，这样做是为了界定油膜的边界，便于描绘油膜形状。

(3)[4]“用油膜法估测油酸分子的大小”实验步骤为：配置油酸酒精溶液测定一滴油酸酒精溶液的体积准备浅水盘形成油膜描绘油膜边缘测量油膜面积计算分子直径，很显然在实验的步骤中，是将1滴此溶液滴在有痱子粉的浅盘里的水面上，等待形状稳定，因此操作先后顺序排列是dacb。

(4)[5][6]由题可知一滴油酸酒精溶液的体积其中纯油酸的体积所形成的油膜的面积为

每一滴油酸酒精溶液中含有的纯油酸的体积解得超过半格的算一个，不足半格的舍去，从图中可以数出小正方形的有效个数为110。

【方法规律归纳】

1.实验目的:学会用油膜法估测分子的大小。

2.实验原理:将一定体积的油酸滴在水面上,测出单分子油膜面积,则油膜厚度可看作油酸分子的直径,即。

3.用油膜法估测分子的大小

(1)理想化:认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成。

(2)模型化: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。

(3)厚度直径化:认为油膜的厚度等于油酸分子的直径。

四、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系

【例7】（2022年上海青浦区二模）有同学在做“用DIS研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时，缓慢推动活塞，在使注射器内空气体积逐渐减小。实验完成后，计算机屏幕上显示出如图所示的p－V图线（其中实线是实验所得图线，虚线为一支参考双曲线）。

（1）开始实验后，压强传感器________（选填“需要”或“不需要”）调零；

（2）仔细观察不难发现，该图线与玻意耳定律不够吻合，造成这一现象的可能原因是：_________；

（3）由于此图无法说明p与V的确切关系，所以改画p－图像。根据上述误差的图像画出的p－图像应当与下列哪个图像最接近________；

A．B．

C．D．

（4）根据你在（2）中的判断，说明为了减小误差，应采取的措施是：______________。

【答案】     不需要     实验时环境温度降低了或注射器内的空气向外泄漏     A     在恒温环境下做实验或在注射器活塞上涂上润滑油增强密封性

【详解】（1）[1]“用DIS研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时，压强传感器需要校准，不需要调零。

（2）[2]当V减小时，图线逐渐偏离双曲线，即pV值逐渐减小，造成这一现象的可能原因是实验时环境温度降低了或注射器内的空气向外泄漏。

（3）[3]pV值随V的减小的减小，即图像的斜率随的增大而减小，图像相对参考虚线向下偏移。

故选A。

（4）[4]根据（2）题的判断，为了减小误差，应采取的措施是在恒温环境下做实验或在注射器活塞上涂上润滑油增强密封性。

【例8】（2022年上海虹口区二模）图（a）是“用DIS研究在温度不变时，一定质量的气体压强与体积关系”的实验装置。

（1）实验中，连接注射器与压强传感器之间软管内的气体不可忽略。移动活塞，多次记录注射器上的体积刻度V和压强传感器读数p，绘出的 图像可能为(         )

A． B． C． D．

（2）用第（1）问中获得的数据绘制 图像，如图（b）所示，则连接注射器与压强传感器之间软管内气体的体积为________________。

（3）若用天平测出若干粒大米的质量为m，然后将这些米粒装入上述装置中的注射器内，移动活塞，多次记录注射器上的体积刻度V和压强传感器读数p，绘出图（c）所示的图像。则可求出大米的密度为________________（用m、V1、V2表示）。

（4）第（3）问中，若读出注射器上的体积刻度为V3之后，用手握住注射器左侧的大部分位置，向外拉动活塞，其余操作无误，继续采集若干数据，请在图（c）中大致画出大于V3部分的图线。(    )

【答案】     C     V1         

【详解】（1）[1]由于连接注射器与压强传感器之间软管内的气体不可忽略，当压强增加后，连接部分软管内的气体体积也减小，但连接部分体积未变，则注射器中有气体进入连接部分，相当于注射器漏气，当V减小时， 增大， p随之增加的程度不是线性关系，当V越小时，压强越大，进入软管内的气体越多，压强增加程度越小，斜率越小，故绘出的 图像可能为C。故选C。

（2）[2]设连接注射器与压强传感器之间软管内气体的体积为V0 ，根据玻意耳定律

则有当为0时，V=-V1，代入上式得

（3）[3]设大米的体积为V米，以注射器内及软管内封闭的气体为研究对象，由玻意耳定律

则有当为0时，V=V2，代入上式得则可求出大米的密度为

（4）[4]用手握住注射器左侧的大部分位置，向外拉动活塞时，气体的温度会增加，由理想气体状态方程

知随着体积增加，图像的斜率减小，故图像如图

【方法规律归纳】

1.实验目的:探究玻意耳定律。

2.实验原理:对理想气体要保持温度不变、质量不变,才能得到较好的实验效果,可以用图像处理数据。

3.为保持气体温度不变, 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。

4.在等温过程中,气体的p-V图像呈现为双曲线,要通过坐标变换,画图像,把双曲线变为直线,以方便判断p和V成反比。