专题20　热学和光学实验-2022年高三物理二轮复习（命题规律知识荟萃经典例题精选习题）(江苏专用))（解析版）

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2022年高三物理二轮复习资料（命题规律+知识荟萃+经典例题+精选习题）（江苏专用）专题20　热学和光学实验【命题规律】命题角度（1）用油膜法估测油酸分子的大小．（2）探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系．（3）测量玻璃的折射率．（4）用双缝干涉实验测光的波长．【知识荟萃】★考向一、用油膜法估测油酸分子的大小1．原理：认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成，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，认为油膜的厚度就是油酸分子的直径d＝，如图.2．对“V”的测量（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V＝n.3．对“S”的测量（1）浅盘里盛水，把适量的爽身粉均匀撒在水面上；（2）用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液，待油膜形状稳定后，将带方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下薄膜的形状；（3）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；（4）用正方形的个数乘单个正方形的面积S0（即n0S0）计算出油膜的面积S.4．注意事项（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）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．（3）分子大小的数量级为10－10 m，若不是则要重做实验．★考向二、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系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），气体的压强与体积的关系，如图所示．（1）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．（2）实验中所用的压力表精度较高，而气柱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．（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，如图甲．处理实验数据时，要通过变换，即画p－图像，把双曲线变为直线，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．★考向三、测量玻璃的折射率数据处理方法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＝，OE＝OE′＝R，所以用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n＝＝.★考向四、用双缝干涉实验测光的波长1．实验装置图及实验器材（如图）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．2．数据处理的方法（1）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；（2）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；（3）相邻两条亮条纹间的距离Δx＝，则由λ＝Δx＝得波长．3．注意事项（1）实验时应调整光源、单缝、双缝和毛玻璃屏、测量头共轴，单缝和双缝安装时应竖直且相互平行，遮光筒的轴线要与光具座导轨平行．若不共轴或单缝与双缝不平行则会引起干涉条纹亮度小，不清晰，不便于观察和测量．（2）分划板上的中心刻线应与干涉条纹的亮（暗）线平行，否则会增大测量的误差．（3）测量头有两种，一种相当于螺旋测微器，一种相当于游标卡尺．【经典例题】【例题1】用油膜法估测分子大小的实验步骤如下：.①向体积为V1的纯油酸加入酒精，直到油酸酒精溶液总体积为V2；②用注射器吸取上述溶液，一滴一滴地滴入小量筒，当滴入n滴时体积为V0；③先往边长为30cm-40cm的浅盘里倒入2cm深的水④用注射器往水面上滴一滴上述溶液，等油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃放在浅盘上，并在玻璃板上描出油酸薄膜的轮廓；⑤将描有油酸薄膜轮廓的玻璃板，放在画有许多边长为a的小正方形的坐标纸上，读出轮廓范围内正方形的总数为N．上述过程中遗漏的步骤是 ___________；油酸分子直径的表达式是d=________．【答案】       将痱子粉均匀撒在水面上     【解析】在步骤③中，应将痱子粉均匀撒在水面上；油酸分子直径为一滴纯油酸的体积为油膜的面积为联立解得【例题2】在“测定玻璃的折射率”的实验中，如图所示，某同学先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面所在直线aa′和bb′（图中并未直接画出具体位置）。O为直线AO与aa′的交点，在直线AO上竖直地插上、两枚大头针。（1）该同学接下来要完成的必要步骤有___________。A．插上大头针，使仅挡住的像B．插上大头针，使挡住的像和的像C．插上大头针，使仅挡住D．插上大头针，使挡住和、的像（2）过、作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′，测量图中角α和β的大小。则玻璃砖的折射率n=___________。【答案】       BD     【解析】（1） 该同学接下来要完成的必要步骤有：确定P3大头针的位置的方法是插上大头针P3，使P3能挡住P1、P2的像。确定P4大头针的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像。故BD正确，AC错误。（2） 根据折射定律得，玻璃砖的折射率为：【例题3】（1）在用油膜法估测分子大小的实验中，用移液管量取0.25 mL油酸，倒入标注250 mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250 mL的溶液。然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面达到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图甲所示。坐标格的每个小正方形大小为2 cm×2 cm。由图可以估算出油膜的面积是_______ cm2，由此估算出油酸分子的直径是_______ m（保留1位有效数字）。（2）图乙是用扫描隧道显微镜拍下的一个“量子围栏”的照片。这个量子围栏是由48个铁原子在铜的表面排列成直径为1.4×10-8m的圆周而组成的，由此可以估算出铁原子的直径约为________m（结果保留1位有效数字）【答案】       256（252或260均得分）     8×10-10     9×10 -10【解析】（1）数油膜的正方形格数，大于半格的算一格，小于半格的舍去，得到估算出油膜的面积是S=格数（64）×2cm×2cm=256cm2由题意可知溶液浓度为，每滴溶液体积为，2滴溶液中所含油酸体积为 ，油膜厚度即油酸分子的直径是；（2）由题意可知直径的圆周， 周长为可以估算出铁原子的直径约为【例题4】某同学用双缝干涉实验测量某单色光的波长。（1）实验装置如图所示，将光源放在光具座最左端，由左至右依次放置其它光学元件，①、②两处放置的元件分别为：________、______（选填“双缝”或“单缝”）；（2）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，若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为，测得第1条亮条纹到第7条亮条纹之间的距离为，则单色光的波长_______。【答案】       单缝     双缝     【解析】（1）先放单缝，形成线光源。再放双缝，形成相干光。（2）根据条纹间距公式得解得【精选习题】1．油膜法测定分子的直径， 的油酸加入酒精中配制的油酸酒精溶液， 溶液通过滴管实验测得为80滴，取1滴溶液滴在撒有痱子粉的浅水槽中，待油膜界面稳定后测得油膜面积为。（1）试估算油酸分子的直径_______（保留一位有效数字）（2）按照一定比例配制的油酸酒精溶液置于一个敞口容器中，如果时间偏长，会影响分子尺寸测量结果导致测量值_________（选填“偏大”或“偏小”）【答案】            偏小【解析】（1）．测得油膜面积：每一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为：所以油酸分子的直径：（2）．置于一个敞口容器中，如果时间偏长，酒精挥发，导致油酸浓度增大，因此出现直径偏大。2．油膜法估测分子的大小实验中，某实验小组用1 mL的油酸配置了500 mL的油酸酒精溶液，用滴管、量筒测得n滴油酸酒精溶液体积为V，一滴溶液在水槽中最终形成的油膜面积为S，则油酸分子直径为________；实验中水面上撒的痱子粉太厚会导致分子直径测量值________（选填“偏大”或“偏小”）【答案】            偏大【解析】一滴油酸酒精溶液中含有的油酸体积为，因一滴溶液在水槽中最终形成的油膜面积为S，所以油酸分子直径为，痱子粉太厚会导致油酸的在水面的扩散面积减小，从而测量的分子直径偏大．3．在利用“插针法”测定玻璃的折射率实验中，正确操作后，作出的光路图及测出的相关角度如图所示，此玻璃的折射率计算式为n=________（用图中的α、β表示）．同学在画界面时，不小心将两界面的间距画得比玻璃砖宽度略大，则测得的折射率__________（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）．【答案】            偏小【解析】．由图可知，入射角为90°-α，折射角为90°-β；则由折射定律可知：．如图所示．红线表示将玻璃砖向上平移后实际的光路图，而黑线是作图时所采用的光路图，可见入射角没有变化，折射角的测量值偏大，则由得，折射率测量值偏小；4．某同学做“用油膜法估测分子的大小”的实验．已知每2 500 mL油酸酒精溶液中含有纯油酸1 mL，用注射器测得每100滴这样的溶液为1 mL，把一滴这样的溶液滴入撒有痱子粉的盛水浅盘里，把玻璃板盖在浅盘上并描画出油酸膜轮廓，如图所示．图中正方形小方格的边长为1 cm，则油酸膜的面积为________cm2，油酸分子直径大小d＝________m（保留一位有效数字）．【答案】       40±2     1×10－9【解析】数出方格纸中被实线圈起来的部分，可知油酸膜的面积约40cm2；一滴溶液纯油酸的体积，所以5．用油膜法估测分子的大小，方法及步骤如下：① 向体积V油=1ml油酸中加酒精，直至总量达到V总=200ml．② 用注射器吸取①中油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n=50滴时，测得其体积恰好是V0=1 ml．③ 先往边长30~40cm的浅盘里倒入2cm深的水， 然后将_____________均匀地撒在水面上．④ 用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状．⑤ 将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图，数出轮廓范围内正方形的个数N，正方形边长L= 1cm．⑥ 根据以上信息，求出分子直径．回答下列问题：（1）步骤③中应填写：____________；（2）1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V纯是____________ml；（3）根据以上数据，可求得分子直径d =_________cm（保留一位有效数字）．【答案】       痱子粉     10-4     910-7【解析】（1）为了显示单分子油膜的形状，需要在水面上撒痱子粉或石膏粉．（2）1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为：（3）油膜形状占据的方格数大约为114个．所以油膜面积为：S=114×1×1cm2 =114cm2分子直径6．在“用油膜法估测分子大小”的实验中，已知实验室中使用的酒精油酸溶液的浓度为A，N滴溶液的总体积为V。在浅盘中的水面上均匀撒上痱子粉，将一滴溶液滴在水面上，待油膜稳定后，在带有边长为a的正方形小格的玻璃板上描出油膜的轮廓（如图所示），测得油膜占有的正方形小格个数为X。①用以上字母表示一滴酒精油酸溶液中的纯油酸的体积为______．②油酸分子直径约为______．【答案】            【解析】将油膜看成单分子膜；将油分子看作球形；认为油分子是一个紧挨一个的①由题意可知，一滴酒精油酸溶液中的纯油酸的体积为 V0=②每一滴所形成的油膜的面积为S=Xa2，所以油膜的厚度，即为油酸分子的直径为7．在观察光的双缝干涉现象的实验中：（1）将激光束照在如图乙所示的双缝上，在光屏上观察到的现象是图甲中的______。（2）换用间隙更小的双缝，保持双缝到光屏的距离不变，在光屏上观察到的条纹宽度将________；保持双缝间隙不变，减小光屏到双缝的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将______（以上均选填“变宽”“变窄”或“不变”）。【答案】       ）A     变宽     变窄【解析】（1）双缝干涉图样是平行且等宽的明暗相间的条纹，故选A；（2）根据知，双缝间的距离d减小时，条纹间距变宽；当双缝到屏的距离l减小时，条纹间距变窄。8．某同学利用平行玻璃砖测量玻璃的折射率，按插针法步骤正确操作，借助刻度尺完成了光路图。该同学有圆规，却没有量角器，他就以O点为圆心，15.00cm为半径画圆，分别交入射光线于A点，交直线的延长线于C点。分别过A、C点作法线NN’的垂线交NN’于B、D点，如图所示。用刻度尺测得AB=9.00cm，CD=6.00cm，则玻璃的折射率n=______。若玻璃砖前后两面并不平行，按正确实验操作，则他测出的折射率______（选填“会”或“不会”）受到影响。【答案】       1.5     不会【解析】根据光的折射定律可知：折射率的测量和玻璃砖前后面是否平行无关9．用双缝干涉测光的波长。实验装置如图（甲）所示，已知单缝与双缝间的距离L1=100mm，双缝与屏的距离L2=700mm，双缝间距d=0.5mm。用测量头来测量亮纹中心的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心如图（乙）所示，记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数。（1）分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图（丙）所示，则对准第1条时读数x1=_______mm、对准第4条时读数x2=_______mm（2）写出计算波长λ的表达式_____（用符号表示），_____nm。【答案】       2.190     7.870          1350【解析】（1）．对准第1条时读数为x1=2mm+0.01×19.0mm=2.190mm对准第4条时读数为x2=7.5mm+0.01×37.0mm=7.870mm．（2） ．相邻条纹的间距为根据得波长为解得10．图所示为光学实验用的长方体玻璃砖，它的___面不能用手直接接触．在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，两位同学绘出的玻璃砖和三个针孔a、b、c的位置相同，且插在c位置的针正好挡住插在a、b位置针的像，但最后一个针孔的位置不同，分别为d、e两点，如图所示，计算折射率时，用___（填“d”或“e”）点得到的值较小，用___（填“d”或“e”）点得到的值误差较小．【答案】       光学     d     e【解析】玻璃砖的光学面不能用手直接接触，接触面的污渍会影响接触面的平整，进而影响折射率的测定．连接dc、ec并延长至玻璃砖的光学面与白纸的交线，交点为出射点，入射点与出射点的连线即为折射光线，入射角一定，用d点时，折射角大，折射率较小．对于两光学面平行的玻璃砖，入射光线和出射光线平行，ec连线与入射光线平行，误差较小．如图所示11．已知双缝到光屏之间的距离L=500mm，双缝之间的距离d=0.50mm，单缝到双缝的距离s=100mm，测量单色光的波长实验中，测得第1条亮条纹与第8条亮条纹的中心之间的距离为4.48mm，则相邻亮条纹之间的距离△x=_________mm；入射光的波长λ=_________m（结果保留两位有效数字）．【答案】       0.64     6.4×10-7【解析】8条亮条纹的中心之间有7个亮条纹，所以干涉条纹的宽度根据公式代入数据得12．某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。（1）下列哪些措施能够提高实验准确程度______；A．选用两光学表面间距大的玻璃砖B．选用两光学表面平行的玻璃砖C．选用粗的大头针完成实验D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些（2）在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确操作插好了4枚大头针，如图甲所示。请你在图丙中画出规范的完整的光路图______（不考虑光的反射）；标出入射角i和折射角r了，写出该玻璃砖的折射率的表达式n=_______。（用题中字母i和）；（3）为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图乙所示，图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和_______（填“A”或“B”）。【答案】       AD               A【解析】（1） A．为了作图误差更小，应选用两光学表面间距大的玻璃砖，故A正确；B．根据折射定律可知，如果两个光学面不平行，不影响入射角与折射角的值，所以对折射率的测定结果不产生影响，故B错误；C．为了准确测量光路图，应选用较细的大头针来完成实验，选用粗的大头针完成实验时，容易出现观察误差，使光线实际并不平行，故C错误；D．插在玻璃砖同侧的大头针之间的距离适当大些时，相同的距离误差情况下引起的角度误差会减小，故D正确。故选AD；（2）根据作出的玻璃砖界面与插好的大头针作出光路图如图所示该玻璃砖的折射率的表达式（3）光线经由P1P2射入后光路图如图第一次折射时入射角大于折射角，第二次折射在玻璃砖内向空气中折射，折射角要大于入射角，出射光线要远离法线，由图可知经由P3A的出射光线符合事实，而经由P3B的出射光线靠近法线不符合事实。故对应的出射光线上的2枚大头针是P3和A。故选A。