第17讲　光学和热学实验-高考物理二轮复习 学案

这是一份第17讲　光学和热学实验-高考物理二轮复习 学案，共8页。

考点一 光学实验
【典例1】
1．在“测量玻璃的折射率”实验中，某实验小组做了如下操作：
（1）如图甲，先将方格纸平铺在木板上并用图钉固定，长方体玻璃砖平放在纸上，然后在方格纸中画出玻璃砖与空气的两个界面MM'和NN'。在相应位置插上P1、P2两枚大头针。然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4。某学生在插第三枚大头针P3时，在视线中看到P1、P2两枚大头针“断”成了a、b、c、d四截，如图乙所示。正确的做法是让P3同时挡住____。
A．a、b B．c、d C．a、c D．b、d
（2）请根据实验原理在图甲中补全光路图 ，并标注出界面MM'的入射角i和折射角r，通过分析实验数据解得玻璃砖的折射率n＝ （结果保留两位小数）。
【典例2】
2．
（1）如图1所示，在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为光源、滤光片、 （填写相应的器材）、双缝、遮光筒、光屏。某同学用黄色滤光片时得到一个干涉图样，请说明黄色滤光片的作用 。
（2）如图2所示，将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数x1＝2.320 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，记下此时图3中手轮上的示数为x6。
①已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离L为0.700 m，由计算式λ＝ （用字母表示），可得所测红光波长为 m（结果保留两位有效数字）。
②为了减小误差，该实验并未直接测量相邻亮条纹间的距离Δx，而是先测量n个条纹的间距再求出Δx。还有哪些实验中什么物理量的测量采用了类似方法 ， 。（请至少举出两个例子）
考点二 热学实验
【典例3】
3．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，将体积为V1的纯油酸配成总体积为V2的油酸酒精溶液，用注射器取体积为V0的上述溶液，再把它一滴一滴地全部滴入烧杯，滴数为N。
（1）此后，图甲中操作正确的顺序是 （用字母符号表示）。
（2）把一滴油酸酒精溶液滴入浅盘中，待稳定后得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图乙所示。图中每个小正方形格的边长为a，则油酸薄膜的面积S＝ ；可估算出油酸分子的直径为 （用V1、V2、V0、N、S表示）。
（3）若实验得到的油酸分子直径数据偏大，可能是因为____。
A．油酸酒精溶液中油酸浓度较小
B．爽身粉撒得太多，油膜没有充分展开
C．油膜有部分沾到了浅盘边缘
D．未等油膜稳定就开始描绘轮廓
【典例4】
4．某同学用图1所示的实验装置探究一定质量的气体等温变化的规律。将注射器水平固定，由于没有压强传感器，于是他把活塞和压力传感器相连，可测出移动活塞时，传感器对活塞的压力F，然后把注射器活塞移动到体积最大的位置，并用橡皮帽封闭注射器右侧的细管。在温度不变的条件下缓慢移动活塞压缩气体并记录多组压力F和体积V的值，假设活塞受到的摩擦可忽略不计。
（1）甲同学想通过作出p-1V的图像探究等温变化的规律，则还需要测量的物理量有____。
A．气体的温度B．注射器的内径
C．大气压强D．被封闭气体的质量
（2）乙同学根据实验数据作出F-1V的图像如图2所示，已知图像的斜率为k，图像与纵轴交点的纵坐标的绝对值为b，假设注射器内的气体的状态变化遵循玻意耳定律，若细管内气体体积可忽略，则气体刚被封闭时的体积为 （用k和b表示）；若细管内气体体积不可忽略，则随着1V的增大，F-1V图像的斜率 （选填：“变大”“变小”或“不变”）。
答案解析部分
1．【答案】（1）B
（2）；1.50
【知识点】测定玻璃的折射率；光的折射及折射定律
【解析】【解答】（1）在本实验中P3应挡住P1、P2透过玻璃砖的像而不是P1、P2，图中a、b为P1、P2，c、d为P1、P2透过玻璃砖的像，即应让P3同时挡住c、d
故答案为：B。
（2）光路图如图所示
由折射定律得，玻璃砖的折射率n＝sinisinr＝332＋22222＋32＝1.50
故答案为：；1.50
【分析】(1) 插大头针时，需让 P3 同时挡住 P1、P2 的像，即图乙中的 c、d 两截。
(2) 补全光路图后，根据折射定律 n=sinisinr，通过测量入射角和折射角的对边与斜边计算折射率。
2．【答案】（1）单缝；只让黄光通过
（2）d(x6－x1)5L；6.6×10－7；测量单摆的周期；测一张纸的厚度
【知识点】用双缝干涉测光波的波长
【解析】【解答】（1）如图1所示，在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏。某同学用黄色滤光片时得到一个干涉图样，黄色滤光片的作用是只让黄光通过。
故答案为：单缝；只让黄光通过
（2）①根据Δx＝xm－xnm－n，求得相邻亮纹的间距Δx＝x6－x15，根据Δx＝Ldλ，解得光波波长λ＝d(x6－x1)5L
如图3所示，螺旋测微器的精度为0.01 mm，而固定刻度上的示数为13.5 mm，可动刻度示数为37.0×0.01 mm＝0.370 mm，故示数为x6＝13.5 mm＋0.370 mm＝13.870 mm
故λ＝d(x6－x1)5L＝2.0×10－4×(13.870－2.320)×10－35×0.700 m＝6.6×10－7 m；
②此处测量相邻条纹之间的距离是用累积的方法进行的，其他实验比如测量单摆的周期、测一张纸的厚度等采用了类似方法。
故答案为： ①d(x6－x1)5L；6.6×10－7②测量单摆的周期；测一张纸的厚度
【分析】(1) 双缝干涉实验的光学元件顺序为光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏；滤光片的作用是只允许特定颜色的光通过，获得单色光以保证干涉图样清晰。
(2) ① 利用双缝干涉条纹间距公式 Δx=Lλd，结合 n 个条纹的总间距推导波长表达式，代入数据计算红光波长；② 累积法测量物理量的实验在力学、电学中均有应用，通过多次测量取平均值减小误差。
3．【答案】（1）DBCA
（2）71a2 ；V1V0NSV2
（3）B；C；D
【知识点】用油膜法估测油酸分子的大小
【解析】【解答】（1）实验过程应先用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内每增加一定体积时的滴数，由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积，再根据油酸酒精溶液的浓度计算出油酸的体积，然后往浅盘里倒入约2 cm深的水，待水面稳定后将适量的爽身粉均匀地撒在水面上，再用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待薄膜形状稳定，随后将玻璃板放在浅盘上，然后将油酸膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上，最后将画有油酸膜形状的玻璃板平放在坐标纸上，计算出油酸膜的面积。根据油酸的体积和油酸膜的面积计算出油酸分子直径的大小。即实验步骤的正确顺序是DBCA。
故答案为：DBCA
（2）轮廓包围方格约为71个，故油酸薄膜的面积为S＝71a2
每滴溶液中含有纯油酸的体积为Vn＝V0N×V1V2
油酸分子的直径为d＝VnS＝V1V0NSV2。
故答案为：71a2 ；V1V0NSV2
（3）A：油酸酒精溶液中油酸浓度较小，导致油酸的体积偏小，可知，油酸分子直径d的计算值将比真实值偏小，故A错误；
B：如果水面上爽身粉撒得较多，油酸没有充分展开，导致统计的油酸面积比充分展开的油酸面积小，油酸分子直径d的计算结果将偏大，故B正确；
C：油膜有部分沾到了浅盘边缘，会导致油膜面积偏小，油酸分子直径d的计算结果会偏大，故C正确；
D：未等油膜稳定就开始描绘轮廓，会导致油膜面积偏小，油酸分子直径d的计算结果会偏大，故D正确。
故答案为：BCD
【分析】 (1) 依据用油膜法估测分子大小的实验流程，梳理各操作步骤的先后顺序。
(2) 通过方格计数法计算油酸薄膜面积，结合油酸酒精溶液的浓度和每滴溶液体积，推导油酸分子直径的表达式。
(3) 分析导致油酸分子直径测量值偏大的操作误差，明确各因素对计算结果的影响。
4．【答案】（1）B；C
（2）kb；变小
【知识点】气体的等温变化及玻意耳定律
【解析】【解答】（1）设大气压强为p0，被封闭气体的横截面积为S，对活塞有pS＝p0S＋F，可得
气体压强为p＝p0＋FS，则若要做p-1V的图像，还需要测量气柱的横截面积和大气压，横截面积可以通过测量注射器的内径计算得出。故答案为：BC
（2）设气体刚封闭时，气体体积为V0，此时的压强为p0，细管内的体积忽略不计，由玻意耳定律得p0V0＝(p0＋FS)V
整理得F＝p0V0SV－p0S
则k＝p0V0S，b＝p0S，V0＝kb
若细管内的气体体积不可忽略，设细管内的体积为ΔV，由玻意耳定律得(p0＋FS)(V＋ΔV)＝C（C为定值）
整理得F＝CS1+ΔVV·1V－p0S，当1V增大时，F-1V图像的斜率在变小。
故答案为：kb；变小
【分析】(1) 探究等温变化需作 p−1V 图像，已知压力 F，需由注射器内径求活塞面积以计算气体压强，还需大气压强以确定封闭气体的总压强。
(2) 由玻意耳定律推导 F−1V 函数关系，结合图像斜率和截距求气体刚被封闭时的体积；分析细管体积不可忽略时对函数关系的影响，判断斜率变化。实验
装置图（示意图）
归纳总结
考查热点
测量玻璃的折射率
（1）准备：画aa'，取O点作法线MM'；画AO，插P1、P2两根大头针
（2）插针：放玻璃砖，画bb'，观察，插P3、P4，注意：玻璃砖与白纸的相对位置不能改变
（3）作折射光线：由P3、P4的位置确定出射光线O'B及出射点O'，连接O、O'得到折射光线OO'
（1）考操作：插P3要使P3挡住P1、P2的像，插P4要使P4挡住P1、P2的像和P3
（2）考处理：连OO'，测θ1和θ2，根据计算、作图或单位圆法即可求得折射率
（3）考注意：大头针的间距要稍大一些，θ1不宜太大或太小；手不能触摸光学面；也不能把玻璃砖界面当尺子画界线等
用双缝干涉实验测量光的波长
（1）操作：调共轴，安装单缝和双缝，放滤光片，观察单色光的干涉条纹
（2）测波长：使分划板中心刻线对齐第1条和第n条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数
（1）考操作：调各器件的高度要使光沿遮光筒轴线到达光屏，使单缝与双缝平行、二者间距约为5～10 cm
（2）考读数：测量头的读数
（3）考计算：会计算相邻的条纹间距，根据条纹间距公式计算波长
实验
装置图（示意图）
归纳总结
考查热点
用油膜法估测油酸分子的大小
①配制：纯油酸1 mL中注入酒精，至500 mL线
②计算：根据n滴体积，求每滴油酸酒精溶液体积V0
③操作：爽身粉均匀撒在水面中心；用滴管将一滴油酸酒精溶液滴在水面上
④描轮廓：油酸薄膜形状稳定后，描绘到玻璃板上
①考计算：准确计算1滴油酸酒精溶液中纯油酸体积
②考估算：正确估算油膜面积，估算分子大小
③误差分析：爽身粉撒太多厚度不均，致油酸散不开等
④考细节：再次实验时，应保持浅盘清洁，可用酒精清洗，用脱脂棉擦，用清水冲
探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
①涂油：减小摩擦、防止漏气，保证气体质量不变
②缓慢：缓慢改变气体体积
③记录：6～8组数据
④作图：绘制p-1V图像，通过实验结果，分析得出结论
①考装置：竖直
②考操作：抹润滑油、装橡胶套
③考读数：读取气柱长
④结论：如何得出结论