2025届高考物理二轮复习讲义：第17讲　其他实验【含答案】

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题型1 用单摆测定重力加速度

1.构成单摆的条件:细线的质量要小、弹性要小,选用体积小、密度大的小球,摆角不超过5°.
2.要使摆球在同一竖直面内摆动,不能形成圆锥摆,方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放.
3.测周期的方法:
(1)要从摆球通过平衡位置时开始计时.因为摆球通过平衡位置时速度大、计时误差小,而在最高点时速度小、计时误差大.
(2)要测多次全振动的时间来计算周期.如在摆球通过平衡位置时开始计时,且在数“零”的同时按下停表,以后每当摆球从同一方向通过平衡位置时计数1次.
例1 某物理课外活动小组准备用单摆测量当地的重力加速度:
(1)下列器材和操作最合理的是 .
A
B
C
D
(2)某次测量小球直径的结果如图所示,则这次测量的读数为 mm.
(3)实验中,测得摆球经过N次全振动的总时间为Δt.在测量单摆的摆长时,先用毫米刻度尺测得摆线长度为l,再用游标卡尺测量摆球的直径为D.则重力加速度的表达式为g= .(用题目中给出的字母表示)
(4)如果测的g值偏小,可能的原因是 .
A.测摆长时,摆线拉得过紧
B.摆线上端悬点未固定,振动中出现松动,使摆线长度增加了
C.开始计时时,停表过迟按下
D.实验时误将49次全振动记为50次
例2 [2024·东阳中学模拟] 如图甲所示是某物理兴趣小组设计的实验装置,能够测量当地的重力加速度并验证机械能守恒定律.先将力传感器固定在天花板上,再用一条细线使其一端系在传感器上,另一端系住一个小球,传感器可以显示出拉力的大小.
(1)实验开始前,用游标卡尺测出小球的直径,示数如图乙所示,则小球的直径D= mm.让小球处于自然悬挂状态,此时传感器显示的拉力大小为F1,测出悬线的长为L0.
(2)将小球拉离平衡位置使细线与竖直方向成一定的张角θ(未知但很小),由静止释放小球,使小球在竖直面内做往复运动,力传感器测出悬线的拉力随时间变化的关系如图丙所示,其中拉力的最小值与最大值分别为F2、F3,拉力变化周期为T0,则当地的重力加速度g= (用已知和测量的物理量符号表示).
(3)验证机械能守恒定律成立的表达式为 (用F1、F2、F3表示).
题型2 测量玻璃的折射率

1.插针法示意图
2.数据处理
(1)计算法:用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sin θ1和sin θ2,算出不同入射角时的sinθ1sinθ2,并取平均值.
(2)图像法
改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作sin θ1-sin θ2图像,由n=sinθ1sinθ2可知,图像应为直线,如图所示,其斜率表示折射率.
(3)单位圆法
以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO'于E'点,过E作NN'的垂线EH,过E'作NN'的垂线E'H'.如图所示,sin θ1=EHOE,sin θ2=E'H'OE',OE=OE'=R,则n=sinθ1sinθ2=EHE'H'.只要用刻度尺测出EH、E'H'的长度就可以求出n.
3.误差分析
(1)确定入射光线、出射光线时造成误差,故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些.
(2)入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差.
例3 如图甲是测量玻璃折射率的一种方式.在木板上铺一张白纸,把玻璃砖放在纸上,用铅笔描出玻璃砖的两个透光面边界a和a'.在玻璃砖的一侧插两个大头针A、B.眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针,使B把A挡住.在眼睛这一侧再插第三个大头针C,使它把A、B都挡住,插第四个大头针D,使它把前三个大头针都挡住.四个大头针位置如图所示.
(1)关于该实验,下列说法正确的是 .
A.A、B大头针连线与a边界夹角越大,误差越小
B.插在光学元件同侧的两个大头针间的距离应适当大些
C.实验时若无量角器,也可用圆规和直尺等工具进行测量
(2)经正确操作后,请在图甲上画出光路图,标出在a界面的法线、入射角和折射角;
(3)假设该玻璃砖边界a和a'边不平行,按照该方式进行的测量结果比真实值 (填“偏大”“相等”或“偏小”).
(4)假设作图时其余部分均正确,只有玻璃砖a'边界出现偏差,作成虚线,如图乙所示.按照该边界的测量结果比真实值 (填“偏大”“相等”或“偏小”).
例4 [2024·山东枣庄模拟] 如图甲所示,图中阴影部分ABC为透明材料制成的柱形光学元件的横截面,AC为半径为R的14圆弧,某实验小组为测量该光学元件的折射率,先通过作图确定了圆弧圆心O的位置.请回答下面问题:
(1)实验小组先在O处插一枚大头针P1,然后在线段OB和OC之间某一位置插大头针P2,在BC边右侧任意位置观察,发现P2都无法挡住P1,原因是 ,若要在BC边右侧观察到P2挡住P1,应将P2向 边方向移动(选填“OB”或“OC”).
(2)该小组经过讨论,重新设计了实验方案,进行了如下操作:
①在O处插大头针P1,在BC边右侧合适位置插大头针P2,调整观察角度,再插上大头针P3,使P3把P1和P2都挡住;
②画出元件边界,作出图乙所示光路图,以P2、P3连线与BC边交点O'为圆心作圆,分别过圆与直线OO'和P2P3的交点作BC边的垂线,垂足分别为N1、N2;
③用刻度尺测出线段O'N1和O'N2的长度分别为d1、d2,则该元件的折射率n= .
(3)若测得该元件的折射率n=2,在O处固定一点光源,只考虑首次从圆弧AC直接射向AB、BC的光线,从点光源射向圆弧AC的光中,有一部分不能从AB、BC面直接射出,则这部分光照射到圆弧AC上的弧长为 .
题型3 用双缝干涉实验测量光的波长

1.装置及器材
2.数据处理
(1)条纹间距Δx=a2-a1n-1.
(2)波长λ=dlΔx.
(3)计算多组数据,求λ的平均值.
3.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.
①干涉条纹没有调整到最清晰的程度.
②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.
③测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的条纹数未数清.
例5 [2024·湖州二中模拟] (1)如图所示是“用双缝干涉实验测量光的波长”的实验装置.
①实验时,应首先调节 和 的中心均位于遮光筒的轴线上,并使单缝和双缝竖直且互相平行.
②在滤光片插座上分别插入红色和绿色滤光片,看到的红色条纹间距 (选填“等于”“大于”或“小于”)绿色条纹间距.
③若要增大双缝干涉条纹间距,下列操作正确的有 .
A.减小双缝与光源间的距离
B.增大双缝与光源间的距离
C.增大滤光片与单缝间的距离
D.增大双缝与屏间的距离
(2)下列关于拨杆的功能、安装及操作的说法中,正确的是 .
A.用手拨动拨杆可使单缝与双缝平行,从而使干涉图样更清晰
B.拨杆A端插入单缝上的卡口中,用手左右拨动拨杆的C端使B处左右移动,并带动B处小孔中套入的支柱
C.拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手左右拨动拨杆的C端使A端左右移动,并带动单缝上的卡口
D.拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手上下拨动拨杆的C端使A端上下移动,并带动单缝上的卡口
例6 在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,将双缝干涉实验仪器按要求安装在光具座上,如图甲所示.已知双缝间的距离为d,屏距双缝的距离为L,用测量头测量条纹间距.
(1)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,此时手轮上的示数如图乙(a)所示;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,此时如图乙(b)所示的手轮上的示数为 mm,求得相邻亮纹的间距Δx为 mm.
(2)波长的表达式为λ= (用Δx、L、d表示).
(3)若改用频率较高的单色光照射,得到的干涉条纹间距将 (选填“变大”“不变”或“变小”).
(4)图丙为上述实验装置部分示意图.S为单缝,S1、S2为双缝,屏上O点处为一条亮条纹.若实验时单缝偏离光轴,向下微微移动,则可以观察到O点处的干涉条纹 (填选项前的字母).
A.向上移动B.向下移动
C.间距变大D.间距变小
题型4 用油膜法估测油酸分子的大小

1.装置和器材
2.数据处理
(1)将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,算出油酸薄膜的面积S.方法是计算轮廓范围内正方形的个数,不足半个的舍去,多于半个的算一个,用正方形的个数乘单个正方形的面积就是油膜的面积.
(2)根据油酸酒精溶液的浓度,算出一滴溶液中纯油酸的体积V,利用一滴溶液中纯油酸的体积V和薄膜的面积S,算出油酸薄膜的厚度d=VS,即为油酸分子的直径.看分子直径数量级(单位为m)是否为10-10,若不是10-10则需重做实验.
3.(1)纯油酸体积的计算引起误差.
(2)油膜面积的计算造成误差.
①油膜形状的边界画线造成误差;
②数格子的个数造成误差.
例7 [2024·绍兴一中模拟] (1)如图所示的四个图反映“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中的四个步骤,将它们按操作先后顺序排列应是 (用符号表示).
(2)取油酸1.0 mL注入250 mL的容量瓶内,然后向瓶中加入酒精,直到液面达到250 mL的刻度为止,得到油酸酒精混合溶液.用滴管吸取混合溶液逐滴滴入量筒,记录滴入的滴数直到量筒达到1.0 mL为止,恰好共滴了100滴.取一滴混合溶液滴在浅盘内的水面上(已撒爽身粉),数得油膜轮廓占面积为1 cm2小格子120格.则油酸分子的直径约为 m(结果保留2位有效数字).
(3)该同学做完实验后,发现自己所测的分子直径d明显偏大,出现这种情况的原因可能是 .
A.将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算
B.油酸酒精溶液长时间放置,酒精挥发使溶液的浓度发生了变化
C.计算油膜面积时,只数了完整的方格数
D.求每滴溶液中纯油酸的体积时,1 mL溶液的滴数多记了10滴
(4)用油膜法测出油酸分子的直径后,要测定阿伏加德罗常数,还需要知道油酸的 .
A.摩尔质量
B.摩尔体积
C.质量
D.体积
例8 在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中:
(1)以下操作不正确的是 .
A.直接将一滴油酸滴到水面上
B.向浅盘中倒入2 cm左右深的水,均匀地撒上爽身粉
C.油膜稳定后将玻璃板盖到浅盘上画出油膜轮廓
(2)前面正确操作后,某同学将油酸酒精溶液滴到均匀撒好爽身粉的水面上时油膜的面积会 .
A.变大
B.变小
C.先变大后变小
(3)不同实验小组向水面滴入一滴油酸酒精溶液时得到以下油膜形状,做该实验最理想的是 .
A
B
C
题型5 探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系

1.装置器材
用注射器探究 用传感器探究
2.数据处理及结论
(1)空气柱的体积V等于空气柱长度L与柱塞的横截面积S的乘积.
(2)以压强p为纵坐标,以体积的倒数1V为横坐标,作出p -1V图像.
(3)在误差允许的范围内,一定质量的气体在温度不变的条件下,压强跟体积的倒数成正比,即压强与体积成反比.
例9 两个实验小组做“探究等温情况下一定质量气体的压强与体积的关系”的实验.
(1)第一个实验小组的同学利用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律,注射器中密封了一定质量的气体.
①实验过程中,下列操作正确的是 .(填正确答案标号)
A.应该以较快的速度推拉柱塞来改变空气柱的体积
B.实验前应先利用天平测量出注射器、柱塞及压力表的总质量
C.推拉柱塞时,手不可以握住整个注射器
D.实验过程中要保证橡胶套的密闭性良好,以保证空气柱的质量一定
②实验时,缓慢推动活塞,注射器内气体的体积逐渐减小.若实验过程中环境温度逐渐降低,测得多组空气柱的压强p和体积V的数据,则实验得到的p-1V图像应为图选项中的 .(填正确答案标号)
A
B
C
D
(2)第二个实验小组的同学用气体压强传感器做实验,实验装置如图乙所示.在操作规范、不漏气的前提下,测得多组压强p和体积V的数据并作出V-1p图像,发现图线不过坐标原点,如图丙所示.造成这一结果的原因是 ;图丙中V0的物理含义是 .
例10 [2024·湖南长沙模拟] 某同学通过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.
(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,为了在xOy坐标系中获得直线图像,应选择 .
A.p-V图像B.p-1V图像
C.V-1p图像D.1p-1V图像
(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 .
参考答案与详细解析
题型1
例1 (1)D (2)10.020(10.019~10.021均可) (3)2π2N2(2l+D)(Δt)2 (4)B
[解析] (1)根据单摆理想模型可知,为减小空气阻力的影响,摆球应采用密度较大、体积较小的铁球,为使单摆摆动时摆长不变,摆线应用不易变形的细丝线,悬点应用铁夹来固定.故选D.
(2)这次测量的读数为10 mm+2.0×0.01 mm=10.020 mm.
(3)根据单摆周期公式T=2πLg,其中L=l+D2,T=ΔtN,解得g=2π2N2(2l+D)(Δt)2.
(4)因为重力加速度的表达式为g=4π2LT2,测摆长时摆线拉得过紧,所测摆长偏大,则所测重力加速度偏大,故A错误;摆线上端悬点未固定,振动中出现松动,即实际中的摆线长度增加了,测量的摆长偏小,故所测重力加速度偏小,故B正确;开始计时时,停表过迟按下,所测周期偏小,则所测重力加速度偏大,故C错误;实验中误将49次全振动次数记为50次,所测周期偏小,则所测重力加速度偏大,故D错误.
例2 (1)9.7 (2)π2T02L0+D2
(3)3F1-2F2-F3=0
[解析] (1)游标卡尺的读数为9 mm+0.1 mm×7=9.7 mm.
(2)单摆周期为2T0,摆长L=L0+D2,根据单摆周期公式2T0=2πLg可得g=π2T02L0+D2.
(3)由机械能守恒定律得
mgL(1-cs θ)=12mv2,又因为F1=mg,F2=mgcs θ,F3-mg=mv2L,得3F1-2F2-F3=0.
题型2
例3 (1)BC (2)如图所示 (3)相等 (4)偏小
[解析] (1)A、B大头针连线与a边界夹角要适当,不是越大越好,故A错误;为减小实验误差,插在光学元件同侧的两个大头针间的距离应适当大些,故B正确;实验时若无量角器,也可用圆规和直尺等工具进行测量,将角度正弦值之比转化为角度对边长度之比,故C正确.
(2)光路图如图所示.
(3)玻璃砖两个表面是否平行对入射角和折射角无影响,按照该方式进行的测量结果与真实值相等.
(4)由题意作光路图,只有玻璃砖a'边界出现偏差,可知入射角不发生变化,折射角大于实际的折射角,根据折射定律,可知按照该边界的测量结果比真实值偏小.
例4 (1)光线在BC边发生了全反射 OC (2)③d2d1 (3)16πR
[解析] (1)发现P2都无法挡住P1,原因是光线在BC边发生了全反射,应减小入射角,即将P2向OC边方向移动.
(2)根据折射定律可知n=sin(90°−∠P3O'N2)sin(90°−∠P1O'N1)=O'N2RO'N1R=d2d1.
(3)测得该元件的折射率n=2,则全反射的临界正弦角为sin C=1n=12,则C=30°,如图所示,若沿OE方向射到AB面上的光线刚好发生全反射,则∠AOE=30°,同理,若沿OG方向射入的光线恰好在BC面上发生全反射,可得∠COG=30°,因此∠EOG=30°,据几何关系可得FH=112×2πR=16πR.
题型3
例5 (1)①光源 滤光片 ②大于
③D (2)AC
[解析] (1)①应首先调节光源和滤光片的中心均位于遮光筒的轴线上,并使单缝和双缝竖直且互相平行,使光源发出的光束沿遮光筒的轴线把屏照亮.
②根据双缝干涉条纹间距公式Δx=ldλ,红光的波长比绿光的波长大,可知红色条纹间距大于绿色条纹间距.
③根据双缝干涉条纹间距公式Δx=ldλ可知,在同样波长的光照射下,增大双缝到光屏的距离l,或减小双缝的间距d,都可以增大干涉条纹间距.故选D.
(2)实验中拨杆的作用在于,将拨杆B处小孔套入双缝所在处的支柱,用手左右拨动拨杆的C端使A端左右移动,并带动单缝上的卡口位置,使单缝与双缝平行,从而使干涉图样更清晰,A、C正确,B、D错误.
例6 (1)13.870 2.310 (2)dΔxL (3)变小 (4)A
[解析] (1)如图乙(a)所示的手轮上的示数为2 mm+0.320 mm=2.320 mm,如图乙(b)所示的手轮上的示数为13.5 mm+0.370 mm=13.870 mm;相邻亮纹的间距为Δx=13.870−2.3205 mm=2.310 mm.
(2)根据双缝干涉条纹间距公式Δx=Ldλ得λ=dΔxL.
(3)改用频率较高的单色光照射,光的波长变短,根据Δx=Ldλ知得到的干涉条纹间距变小.
(4)实验时单缝偏离光轴,向下微微移动,通过双缝S1、S2的光仍是相干光,仍可产生干涉条纹,对于中央亮纹来说,从单缝S经过S1、S2到中央亮纹的路程差仍等于0,则中央亮纹O的位置略向上移动,故A正确,B错误;由于λ、d、L均不变,则双缝干涉条纹间距Δx不变,故C、D错误.
题型4
例7 (1)CADB (2)3.3×10-9
(3)AC (4)B
[解析] (1)“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,则操作先后顺序应是CADB.
(2)油膜约占120格,面积约为S=120×1×10-4 m2=1.2×10-2 m2,一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V=1250×1100×10-6 m3=4×10-11 m3,油酸分子的直径约等于油膜的厚度,d=VS=4×10-111.2×10-2 m≈3.3×10-9 m.
(3)计算油酸分子直径的公式是d=VS,V是纯油酸的体积,S是油膜的面积,将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算,则V取值偏大,导致d偏大,故A正确;油酸酒精溶液长时间放置,酒精挥发使溶液的浓度增大,则V取值偏小,导致d偏小,故B错误;计算油膜面积时,只数了完整的方格数,则S取值偏小,导致d偏大,故C正确;求每滴溶液中纯油酸的体积时,1 mL的溶液的滴数多记了10滴,则V取值将偏小,导致d偏小,故D错误.
(4)设一个油酸分子体积为V,则V=43πd23,由NA=VmlV可知,要测定阿伏加德罗常数,还需知道油酸的摩尔体积,故B正确.
例8 (1)A (2)C (3)C
[解析] (1)油酸浓度太大且不溶于水,直接滴一滴油酸不能形成单分子油层,故A错误;为了便于观察油酸在水面扩散的面积,所以在水面均匀撒上爽身粉,故B正确;为了定量测出油酸扩散面积,用带方格的玻璃板盖到浅盘上画出油膜轮廓,故C正确.
(2)酒精溶于水,油酸酒精溶液滴到水中在酒精的作用下形成单分子油膜,
随后酒精挥发油膜的面积又缩小,故选C.
(3)最理想的情况是爽身粉很薄,容易被油酸酒精溶液冲开,近似圆形,故选C.
题型5
例9 (1)①CD ②A (2)胶管的容积不可忽略 连接压强传感器和注射器的胶管的容积
[解析] (1)①应该以较慢的速度推拉柱塞来改变空气柱的体积,以避免操作动作过快使空气柱的温度发生改变,A错误;因压强由压力表测得,不是由平衡条件计算出的,所以实验前不需要利用天平测量出注射器、柱塞及压力表的总质量,B错误;实验过程中手不能握住注射器,以免改变空气柱的温度,使气体发生的不是等温变化,C正确;实验过程中要保证橡胶套的密闭性良好,以保证空气柱的质量一定,D正确.
②根据理想气体状态方程pVT=C,可得p=CTV,可知随着环境温度逐渐降低,p-1V图像的斜率会逐渐减小,A项正确.
(2)根据理想气体状态方程得pV+V0T=C,解得V=CTp-V0,造成这一结果的原因是胶管的容积不可忽略;图丙中V0的物理含义是连接压强传感器和注射器的胶管的容积.
例10 (1)需要 (2)C (3)b
[解析] (1)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)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pV-V1=C,为了获得直线图像,应表示为V=C1p+V1,选择V-1p图像,故选C.
(3)由函数关系结合图像可知V1=b.
【关键能力】
关注这些实验中有关仪器的选择、实验的操作注意事项、有关实验现象特征的记录及分析,会进行简单计算,新高考下,注意原选考模块实验也成为必考实验的内容.尤其是要关注新教材新增实验.