2020新课标高考物理二轮复习教师用书：第1部分专题8第3讲　热学、光学实验

第3讲　热学、光学实验

■新储备·等级考提能·

1．“用油膜法估测分子大小”实验要注意的几点

(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)油酸酒精溶液配制后不要长时间放置，以免酒精蒸发导致浓度改变，使实验误差变大。

(3)在浅盘的中央加痱子粉且要适量，使痱子粉自动扩散均匀。

(4)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，动作要轻而迅速。

(5)本实验只要求估算分子大小，实验结果数量级符合要求即可。

(6)分子大小的数量级为10－10 m，若不是则要重做实验。

2．“探究气体压强与体积的关系”数据处理及注意事项

(1)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)，气体的压强和体积的关系。

(2)为保持等温变化，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，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油，注射器内外气体的压强差不宜过大。

(3)实验中所用的压强传感器精度较高，而气体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。

(4)在等温过程中，气体的压强和体积的关系在p­V图象中呈现为双曲线。处理实验数据时，要通过变换，即画p­图象，把双曲线变为直线，说明p和V成反比。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。

3．“测定玻璃的折射率”实验注意事项

(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，同侧两针之间的距离要稍大些。

(2)入射角应适当大些，以减小测量角度的误差，但也不宜太大，若入射角太大，在玻璃砖的另一侧会看不清大头针的像。

(3)操作时不要用手触摸玻璃砖的光滑光学面，更不能把玻璃砖当尺子使用。

(4)在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。

4．“用双缝干涉测光的波长”误差分析

(1)双缝到屏的距离L的测量存在误差；

(2)测条纹间距Δx带来的误差：干涉条纹没有调节到最清晰的程度；误认为Δx为亮(暗)条纹的宽度；分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心；测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的亮条纹数未数清。

■新训练·等级考落实·

考向1　用油膜法估测分子大小

1．在“用油膜法估测分子大小”的实验中，用注射器将一滴油酸酒精溶液滴入盛水的浅盘里，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，坐标纸上正方形小方格的边长为10 mm，该油酸膜的面积是________m2；若一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是4×10－6 mL，则油酸分子的直径是________m。(上述结果均保留一位有效数字)

[解析]　在围成的方格中，不足半格的舍去，多于半格的算一格，共取80个方格，故油酸膜的面积为S＝80×1×10－4 m2＝8×10－3 m2，油酸分子的直径为d＝＝ m＝5×10－10 m。

[答案]　8×10－3　5×10－10

考向2　探究气体压强与体积的关系

2．如图甲所示，用气体压强传感器探究气体等温变化的规律，操作步骤如下：

①把注射器活塞推至注射器中间某一位置，将注射器与压强传感器、数据采集器、计算机逐一连接；

②移动活塞，记录注射器的刻度值V，同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p；

③重复上述步骤②，多次测量；

④根据记录的数据，作出V­图线，如图乙所示。

甲　　　　　　　乙

(1)完成本实验的基本要求是________。(填正确答案标号)

A．在等温条件下操作

B．封闭气体的注射器密封良好

C．必须弄清所封闭气体的质量

D．气体的压强和体积必须用国际单位

(2)理论上由V­图线分析可知；如果该图线________，就说明气体的体积跟压强的倒数成正比，即体积与压强成反比。

(3)若他实验操作规范正确，则图线不过原点的原因可能是________，图乙中V0代表________。

[解析]　(1)由于该实验是用气体压强传感器探究气体等温变化的规律，故要保证在等温条件下操作，故A项正确。为了控制变量，气体的质量不能改变，若出现漏气，会产生误差，故B项正确。该实验不需要弄清气体的质量，故C项错误。气体的压强和体积不一定要用国际单位，故D项错误。

(2)若气体的体积跟压强的倒数成正比，即V＝k，则该图线为过原点的直线。

(3)图线不过原点的原因可能是传感器与注射器间有气体，图乙中V0代表传感器与注射器间气体体积。

[答案]　(1)AB　(2)为过坐标原点的直线　(3)传感器与注射器间有气体　传感器与注射器间气体体积

考向3　测定玻璃的折射率

3．如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率。在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3。图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点。

(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量________，则玻璃砖的折射率可表示为________。

(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一个小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

[解析]　(1)根据几何知识得，入射角的正弦sin i＝＝，折射角的正弦sin r＝＝，根据折射定律得，玻璃砖的折射率n＝＝，所以需要用刻度尺测量l1和l3。(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度，折射光线将顺时针转动，而作图时仍以MN为边界，AD为法线，则入射角不变，折射角减小，则测得的l3偏小，可知测得玻璃砖的折射率将偏大。

[答案]　(1)l1和l3　n＝　(2)偏大

考向4　用双缝干涉测光的波长

4．在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉仪按要求安装在光具座上(如图所示)，从仪器注明的规格可知双缝的缝间距为d，像屏与双缝间的距离为L。然后，接通电源使光源正常工作。

(1)已知测量头是50分度的游标卡尺，某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第1次映入眼帘的干涉条纹如图甲所示，图甲中的数字是该同学给各亮纹的编号，此时图乙中游标卡尺的读数x1＝1.16 mm；接着转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图丙所示，此时图丁中游标卡尺的读数x2＝________mm。

甲　　　乙　　　丙　　　丁

(2)利用上述测量结果，该同学经计算得出这种色光的波长λ＝660 nm。已知L＝700 mm，则该同学选用的双缝屏的缝间距d＝________mm。(计算结果保留两位有效数字)

[解析]　(1)图丁中主尺读数为15 mm，游标尺读约为0.02×1 mm＝0.02 mm，所以最终读数为15.02 mm。

(2)相邻两亮条纹的间距Δx＝＝ mm＝2.31 mm，根据Δx＝λ得d＝＝ m＝2.0×10－4 m＝0.20 mm。

[答案]　(1)15.02　(2)0.20

1．探究静摩擦力在人教版必修1教材中专门有一个演示实验，演示木块从静→动的过程中摩擦力大小的变化，演示实验中用的是弹簧测力计，也可以用力传感器代替弹簧测力计做实验，在计算机屏幕上直接得到拉力变化的图线。

[典例1]　借助计算机，力传感器的挂钩与其他物体间的弹力大小能够在计算机屏幕上显示出。为了探究最大静摩擦力的大小跟哪些因素有关，某同学在老师的指导下做了一系列实验：如图(a)所示，将滑块平放在长木板上，用力传感器沿长木板水平拉滑块，改变拉力的大小直到将滑块拉动，得到的F­t图线如图(b)中甲所示；再在长木板上铺上毛巾，并在滑块上放上砝码，重复前一个过程，得到的F­t图线如图(b)中乙所示。

(1)由图线乙知：在t1～t2这段时间内，滑块的运动状态是________(选填“运动”或“静止”)，滑块受到的最大静摩擦力为________(选填“F1”或“F2”)。

(2)结合甲、乙两图线，________(选填“能”或“不能”)得出最大静摩擦力与两滑块接触面之间的粗糙程度和接触面之间的正压力均有关的结论。

[解析]　(1)图线乙中t1～t2这段时间内，滑块所受的摩擦力逐渐增大，滑块处于静止状态，之后滑块开始运动，则滑块受到的最大静摩擦力对应拉力F1。

(2)因同时改变接触面的粗糙程度和接触面之间的正压力得到图(b)中乙图线，故根据图(b)中甲、乙两图线，不能确定最大静摩擦力的变化是由哪个因素变化引起的。

[答案]　(1)静止　F1　(2)不能

2．人教版必修2中向心力公式是根据牛顿第二定律得到的，这种思路正常但是略微“单薄”，所以教材中又设计了“用圆锥摆实验验证向心力公式”的实验，该实验取材方便，实验能力强的同学完成得很好，且考查的可能性较大。

[典例2]　在“用圆锥摆实验验证向心力公式”的实验中，AB为竖直转轴，细绳一端系在A点，另一端与小球C相连，如图所示。当转轴转动时，C球在水平面内做匀速圆周运动。实验步骤如下：

①测量A、C间细绳的长度l；

②使AB轴转动，并带动C球在水平面内做匀速圆周运动；

③测出此时C球做匀速圆周运动的周期T，并标出球心在AB轴上的投影点D，测出A、D间的距离s；

④算出C球做匀速圆周运动所需要的向心力F；

⑤算出C球所受到的合力；

⑥验证向心力公式。

(1)在上述实验中还需要测量的物理量有哪些________。

A．C球的直径D

B．C球的质量m

C．C球转动的角速度ω

D．当地的重力加速度g

(2)已验证向心力公式的正确性，用已经测量的除s以外的物理量和第(1)题中所选择的物理量表示出A、D间的距离s＝________。

(3)这一实验简单易行，但是有几个因素可能会影响实验的成功，请写出一条：________。

[解析]　(1)C球做匀速圆周运动所需要的向心力是细绳拉力与小球重力的合力，由平行四边形定则知，其合力等于mgtan θ。再根据向心力公式F向＝m（）2r，求出向心力的值，看两者是否相等，其中T已知，r＝，所以需要测量出C球的直径D和当地的重力加速度g。

(2)若要验证向心力公式，则有mgtan θ＝m（）2r，又tan θ＝，联立解得s＝。

(3)由几何关系可知，小球做圆周运动的球心在AB轴上的投影点D的确定(或小球是否在水平面上做匀速圆周运动)可能会影响实验的成功。

[答案]　(1)AD　(2)　(3)小球做圆周运动的球心在AB轴上的投影点D的确定(或小球是否在水平面上做匀速圆周运动)

3．平抛运动是生活中常见的运动，教材中该部分知识对应的“问题与练习”非常丰富，以此可以挖掘用以探究动能定理、验证机械能守恒定律的实验方法，甚至在验证动量守恒定律中都可以用到该部分知识的部分内容，应引起大家的重视。

[典例3]　某同学根据平抛运动规律，利用图a的装置验证机械能守恒定律。

图a　　　　　　　　　图b

①物块P于A点由静止沿光滑轨道滑下，并在末端B处水平抛出，落在水平地面C点。

②用刻度尺量出A点与桌面的高h，B点与地面的高H，B点正下方的D点与C点距离x，其中某次对x的测量结果如图b所示，x＝________ cm。

③若P的质量为m、重力加速度为g，根据测得的h、H、x写出P下滑到B点时，势能减少量的表达式________，动能增量的表达式________。

④若P的运动过程机械能守恒，则x2与h之间应满足关系式________。

[解析]　②刻度尺的读数x＝30.50－10.00 cm＝20.50 cm。

③P下滑到B点，下降的高度为h，则重力势能的减小量为mgh，

根据H＝gt2得，t＝，

则B点的速度vB＝＝x，

则动能的增加量ΔEk＝mv＝m＝。

③若机械能守恒，有：mgh＝，

即h＝。

[答案]　②20.50　③mgh　　④h＝