第一篇 专题七 第十八讲　热学和光学实验-【高考二轮】新高考物理大二轮复习（课件+讲义+专练）

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第18讲　热学和光学实验
用油膜法估测油酸分子的大小
探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
用双缝干涉测量光的波长
认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成，油膜的厚度就是油酸分子的直径 如图。
(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
(1)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；(2)用正方形的个数乘单个正方形的面积S0计算出油膜的面积S(即n0S0)。
　(2023·湖北模拟预测)(1)如图甲反映“用油膜法估测油酸分子的大小”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)；
“用油膜法估测分子的大小”的实验步骤为：配制油酸酒精溶液→测定一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积→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。因此操作先后顺序排列应是bcad。
(2)在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每1 000 mL溶液中有0.6 mL油酸。用注射器测得1 mL上述溶液有75滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，画出油膜的形状。如图乙所示，坐标纸中正方形方格的边长为1 cm，试求：
①油酸膜的面积是__________ cm2；
图中油膜中大约有133个小方格，则油酸膜的面积为S＝133×12 cm2＝133 cm2＝1.33×102 cm2
②每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是__________ m3；
每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为
③按以上实验数据估测出油酸分子的直径是__________ m(结果保留两位有效数字) 。
(3)若阿伏加德罗常数为NA，油酸的摩尔质量为M，油酸的密度为ρ。则下列说法正确的是_____。A.1 kg油酸所含有分子数为ρNA
1 kg油酸所含有分子数为
1 m3油酸所含分子数为
1.实验法：控制变量法实验装置如图
2.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，应在活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。
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(其中一支)，如图甲。处理实验数据时，要通过变换，即画 图像，把双曲线(其中一支)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。
　(2023·山东卷·13)利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上，注射器内封闭一定质量的空气，下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘，托盘中放入砝码，待气体状态稳定后，记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和)，逐次增加砝码质量，采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。
回答以下问题：(1)在实验误差允许范围内，图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线，说明在等温情况下，一定质量的气体______。A.p与V成正比B.p与 成正比
在实验误差允许范围内，题图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线，说明在等温情况下，一定质量的气体，p与 成正比。故选B。
(2)若气体被压缩到V＝10.0 mL，由图乙可读出封闭气体压强为___________ Pa(保留3位有效数字)。
若气体被压缩到V＝10.0 mL，则有
由题图乙可读出封闭气体压强为p＝2.04×105 Pa
(3)某组同学进行实验时，一同学在记录数据时漏掉了ΔV，则在计算pV乘积时，他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而______(填“增大”或“减小”)。
某组同学进行实验时，一同学在记录数据时漏掉了ΔV，则在计算pV乘积时，根据p(V0＋ΔV)－pV0＝pΔV可知他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而增大。
在玻璃砖的另一侧插上P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上P4，使P4挡住P3和P1、P2的像。
2.三个数据处理的方法
3.两个减小误差的实验要求
(1)实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2和O、P3与O′之间距离要稍大一些。(2)入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)，当θ1太大时，反射光较强，出射光较弱，当θ1太小时，入射角、折射角测量的相对误差较大。
　(2023·云南昆明市统考一模)某同学用插针法测量某种材料制成的三棱镜的折射率，主要实验步骤如下：(1)先在木板上铺一张方格纸，方格纸上的小格子均为正方形，将棱镜放在方格纸上，然后画出棱镜的界面，如图所示。在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“·”表示大头针的位置，然后在另一侧透过棱镜观察，并依次插上大头针P3和P4，利用相关实验器材测出棱镜的折射率，下列说法正确的有_____；A.P3只需挡住P2的像B.P4挡住P3的同时，还要挡住P1和P2的像C.该实验除刻度尺外，还必须使用量角器D.该实验仅需使用刻度尺，无需使用量角器
实验的过程中，要先在白纸上放好玻璃砖，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在玻璃砖另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3和P4，使P3同时
挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，故A错误，B正确；该实验仅需使用刻度尺，无需使用量角器，故C错误，D正确。
(2)经正确操作，四枚大头针的位置如图所示，请在图上作出实验光路图；
(3)依据光路图，可得该棱镜的折射率为______(计算结果保留3位有效数字)。
根据折射定律可知需要测量入射角和折射角，运用刻度尺测量并计算出入射角和折射角的正弦值，故折射率为n＝≈1.33。
　(2023·广东卷·11)某同学用激光笔和透明长方体玻璃砖测量玻璃的折射率，实验过程如下：(1)将玻璃砖平放在水平桌面上的白纸上，用大头针在白纸上标记玻璃砖的边界(2)①激光笔发出的激光从玻璃砖上的M点水平入射，到达ef面上的O点后反射到N点射出。用大头针在白纸上标记O点、M点和激光笔出光孔Q的位置②移走玻璃砖，在白纸上描绘玻璃砖的边界和激光的光路，作QM连线的延长线与ef面的边界交于P点，如图(a)所示
③用刻度尺测量PM和OM的长度d1和d2。PM的示数如图(b)所示，d1为______ cm。测得d2为3.40 cm
刻度尺的最小分度为0.1 cm，由图可知，d1为2.25 cm；
(3)利用所测量的物理量，写出玻璃砖折射率的表达式n＝_____ ；由测得的数据可得折射率n为______(结果保留3位有效数字)
(4)相对误差的计算式为δ＝ ×100%。为了减小d1、d2测量的相对误差，实验中激光在M点入射时应尽量使入射角__________。
相对误差的计算式为δ＝ ×100%，为了减小d1、d2测量的相对误差，实验中d1、d2要尽量大一些，即激光在M点入射时应尽量使入射角稍小一些。
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。
1.实验装置图及实验器材(如图)
Δx＝ 因此，只要测出Δx、d、l即可测出波长λ。
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；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；则相邻两条亮条纹间的距离Δx＝
　(2023·湖南师大附中二模)某同学利用如图甲所示装置测量某种单色光波长。实验时，接通电源使光源正常发光，调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：
(1)关于本实验下列说法正确的是_____；A.若照在毛玻璃屏上的光很弱或不亮，可能是因为光源、单缝、双缝与 遮光筒不共轴所致B.A处为单缝、B处为双缝、滤光片在A和B之间C.A处为单缝、B处为双缝、滤光片在凸透镜和A之间D.若想增加从目镜中观察到的条纹个数，可以换用间距更小的双缝
该实验中若照在毛玻璃屏上的光很弱或不亮，可能是因为光源、单缝、双缝与遮光筒不共轴所致，故A正确；
为获取两个单色线光源，A处应为单缝、B处应为双缝，滤光片在凸透镜和A之间，故B错误，C正确；若想增加从目镜中观察到的条纹个数，则条纹间距Δx将减小，根据相邻亮条纹间的距离为 可知，应使用间距更大的双缝；而d减小，会使条纹间距Δx变大，故D错误。
(2)某次测量时，选用的双缝的间距为0.4 mm，测得屏与双缝间的距离为0.5 m，用某种单色光实验得到的干涉条纹如图乙所示，分划板在图中A、B位置时游标卡尺的读数也如图乙中所示，则A位置对应的读数为_____mm。B位置对应的读数为15.6 mm，则所测单色光的波长约为____ nm(结果保留整数部分)；
该游标卡尺的精度为0.1 mm，则在A位置时游标卡尺读数为xA＝10 mm＋9×0.1 mm＝10.9 mm
(3)若某次实验观察到的干涉条纹与分划板的中心刻线不平行，如图丙所示，在这种情况测量相邻条纹间距Δx，则波长λ的测量值______(填“大于”“小于”或“等于”)实际值。
1.(2023·浙江宁波市十校二模)某同学通过如图甲所示的实验装置，利用玻意耳定律来测定一颗形状不规则的冰糖的体积。
(1)将冰糖装进注射器，通过推、拉活塞改变封闭气体的体积和压强。若实验过程中不慎将活塞拔出针筒，则________(填“需要”或“不需要”)重做实验。
实验需要保持气体温度与质量不变，操作中，若实验过程中不慎将活塞拔出针筒，则必须废除之前获得的数据，重做实验，这是为了保持气体质量不变。
(2)实验中通过活塞所在刻度读取了多组体积V及对应压强p的数据，为了在xOy坐标系中获得直线图像，应选择_____。
设冰糖的体积为V1，则气体的体积为V2＝V－V1由玻意耳定律知p(V－V1)＝C
(3)选择合适的坐标后，该同学通过描点作图，得到直线的函数图像如图乙所示，忽略传感器和注射器连接处的软管容积，则这颗冰糖的体积为_____。
由函数关系结合图像可知V1＝b。
2.(2023·广东茂名市电白区一模)长方体形状的玻璃砖有一个表面镀银(光线不能透过)，现利用“插针法”测定此玻璃砖的折射率。如图甲所示，实验时，先将玻璃砖平放到水平面内的白纸上，镀银
面与纸面垂直。贴着玻璃砖前后两个面在纸上画出直线m1m2和k1k2，其中m1m2侧为镀银面。然后在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2。(1)准备插第三枚大头针时，应在_______侧观察(选填“m1m2”或“k1k2”)；
确定第三枚大头针P3位置的作图方法：由于m1m2表面镀银，只能反射，所以光路为：入射光线、经过k1k2的折射光线、经过m1m2的反射光线、再次经过k1k2的折射后的出射光线，作出此光路图如图所示，即可标出P3的位置，则
准备插第三枚大头针时，应在k1k2侧观察；
(2)插第三枚大头针时，这枚大头针应_____；A.只挡住P1的像B.只挡住P2的像C.同时挡住P1和P2的像
插第三枚大头针时，这枚大头针应同时挡住P1和P2的像，故选C。
(3)插完所需大头针，补全光路。图乙为光路的一部分，A1、B1均为光路上的点，过A1、B1作直线k1k2的垂线，垂足分别为A2、B2，已知图中A1O＝B1O，则玻璃砖的折射率可表示为______。
1.(2023·贵州统考二模)某同学用油膜法估测分子直径大小，实验步骤如下：①将体积为V0的纯油酸溶于酒精，稀释成总体积为V的油酸酒精溶液。用注射器吸取该溶液，一滴一滴地滴入小量筒中，滴入N滴时，记录体积为V1；②在边长为40～50 cm的浅盘里倒入2.5 cm深的水，将痱子粉均匀撒在水面上；③用注射器往水面上滴1滴上述油酸酒精溶液，当油酸形成的薄膜形状稳定后，将透明玻璃板盖在浅盘上，用彩色笔在玻璃板上描出油酸薄膜的形状；
④将画有油酸薄膜轮廓形状的玻璃板置于坐标纸上，坐标纸的最小正方形边长为a。计算出轮廓范围内最小正方形的总个数为n，不足半个的舍去，多于半个的算一个；实验步骤①中，稀释油酸的目的是________________，油酸分子的直径表达式d＝________。假设用注射器吸取油酸酒精溶液滴入小量筒中时，滴数少记了几滴，由此计算出来的d将________(填“偏大”“偏小”或“不变”)。
实验步骤①中，稀释油酸的目的是形成单分子油膜。
2.(2023·黑龙江哈尔滨市一模)利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。
(1)实验前打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮；然后光具座上先放置b_______和c______，再放置a________，就可以观察到单色光的双缝干涉图样(均选填“双缝”“单缝”“滤光片”)。
实验中，通过滤光片获得单色光，通过单缝获得线光源，通过双缝获得相干光，故光具座上先放置b单缝和c双缝，再放置a滤光片，就可以观察到单色光的双缝干涉图样。
某亮纹中心对齐，如图甲所示，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图乙所示为_______________________ mm；然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，此时手轮上的示数如图丙所示为__________________________ mm，则这种单色光的波长为__________ m(结果保留两位有效数字)。
(2)实验中已知双缝间的距离d＝0.3 mm，双缝到光屏的距离L＝1.2 m，某种单色光照射双缝时，用测量头测量条纹间的宽度：先将测量头的分划板中心刻线与
2.333(2.332、2.334均可)
15.325(15.324、15.326均可)
由题图乙可知示数为2 mm＋0.333 mm＝2.333 mm(2.332、2.334 mm都正确)由题图丙可知示数为15 mm＋0.325 mm＝15.325 mm(15.324、15.326 mm都正确)
(3)上述实验中，若仅将红色滤光片更换为蓝色滤光片，则相邻亮纹中心间距______(选填“增大”“减小”或“不变”)。
3.(2023·浙江宁波市镇海中学模拟)某同学利用图甲所示的装置研究光的干涉和衍射，将刀片在涂有墨汁的玻璃片上划过便可得到单缝、不同间距双缝的缝屏，光电传感器可用来测量光屏上光强的分布。(1)某次实验时，在电脑屏幕上得到图乙所示的两种光a、b的光强分布，这位同学在缝屏上安装的是______(选填“单缝”或“双缝”)；
根据题图乙分析可知有中央亮条纹，符合单缝衍射的情况。
(2)由该图像两条曲线的特征可知_____。A.以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，　a光侧移量小B.若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级　能量差小C.以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能　看到一种光时，一定是a光D.分别照射在同一金属板，若b光能引起光电效应，　a光也一定能
由题图乙可知b光的波长大，则频率小，光子能量小。b光的频率小折射率小，所以以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，b光侧移量小，故A错误；若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生b光的能级能量差小，故B错误；根据 可知b的临界角大，以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是b光，故C错误；根据光电效应方程可知，由于a光子能量大，所以分别照射在同一金属板，若b光能引起光电效应，a光也一定能，故D正确。
①将压强传感器调零；②在活塞上均匀涂抹润滑油，把活塞移至注射器满刻度处；③逐一连接注射器、压强传感器、数据采集器、计算机；④推动活塞，记录多组注射器内气体的体积V，以及相应的压强传感器示数p。(1)实验操作中，活塞上均匀涂抹润滑油，主要目的是__________。
4.如图甲是“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”的实验装置.主要步骤如下：
本实验保持温度不变，研究压强与体积关系，根据题意可知，还需保证封闭气体质量不变，为了防止漏气，故需要在活塞上均匀涂抹润滑油。
(2)为了保持封闭气体的温度恒定，下列措施可行的是_____。A.注射器必须固定在竖直平面内B.用手握注射器推拉活塞C.缓慢推动活塞
由于不是拉活塞，则注射器不一定要安装在竖直平面内，实验过程中手不能与注射器接触，推动活塞应缓慢进行，保持与外界相同温度，故C正确，A、B错误。
(3)测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之间的关系，若以p为纵坐标，则应以_____为横坐标在坐标系中描点作图；小明所在的小组不断压缩气体，由测得数据发现图线的上端出现了一小段弯曲，产生这一现象的可能原因是_______________________(答一种即可)。
(4)另一小组实验时缓慢推动活塞，记录4组注射器上的刻度数值V，以及相应的压强传感器示数p.在采集第5组数据时，压强传感器的软管脱落，重新接上后继续实验，又采集了4组数据，其余操作无误.该小组绘出的V－ 关系图像应是______。
测量时，注射器与压强传感器连接部分气体的体积V0未计入，纵轴存在截距－V0；软管脱落后，气体向外漏出，p的测量值偏小，相应的横坐标 偏大，但左侧的延长线与纵轴的交点仍为－V0，故前后两条线相交在此处，故D正确，A、B、C错误。
5.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
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)在图甲中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______；(计算结果保留三位有效数字)
根据 可知，图像sin θ1－sin θ2的斜率表示折射率，由题图乙可知玻璃砖的折射率为n＝1.50；
(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”)；
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P4P3的连线与bb′的交点偏右，测得的折射角θ2偏大，则根据 可知，测出来的折射率偏小；
(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，则在图中右边的插针应该是_____。A.P3、P6 B.P3、P8C.P5、P6 D.P7、P8
光路图如图所示根据光路图可知，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P5、P6，故选C。
6.(2023·上海徐汇统考二模)在“用DIS研究温度不变时一定质量的气体压强与体积的关系”实验中，某组同学先后两次使用如图(a)所示实验装置获得
多组注射器内封闭气体的体积V和压强p的测量值，并通过计算机拟合得到如图(b)所示两组p－V图线。(1)实验中使用的是_____传感器；
实验中使用的是压强传感器。
(2)实验过程中应避免手握注射器含空气柱的部分，这是为了_____________________________；
控制封闭气体的温度不发生变化
实验过程中应避免手握注射器含空气柱的部分，这是为了控制封闭气体的温度不发生变化。
(3)为了检验气体的压强p与体积V是否成反比例关系，可将图线转化为____________图线；
根据理想气体状态方程pV＝CT可得
(4)两组图线经检验均符合反比例关系，由图可知①、②两组注射器内气体p与V的乘积________(选填“相等”或“不相等”)；导致两组数据差异的原因可能是_____(多选)。A.两组实验环境温度不同B.两组封闭气体的质量不同C.某组器材的气密性不佳D.某组实验中活塞移动太快