2023版高考物理步步高大二轮复习讲义第一篇 专题七 第18讲　热学和光学实验【学生版】

第18讲　热学和光学实验

命题规律　1.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.2.常用方法：油膜法、控制变量法、单位圆法、图像法．

考点一　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，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)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)．

例1　某班级做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验．实验前，老师将酒精加入1 mL的油酸中配制成1 000 mL的油酸酒精溶液．

(1)在实验时需要测量出一滴油酸酒精溶液的体积，具体的操作是：用________将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积时液滴的数目．

(2)在浅盘中的水面上撒上爽身粉，将1滴油酸酒精溶液滴入水中后，下列现象正确的是________．

A．油膜的面积先扩张后又稍微收缩了一些

B．油膜的面积先快速扩张后慢慢趋于稳定

(3)甲实验小组测得1 mL油酸酒精溶液为80滴，通过数1滴溶液在水面稳定后形成的油膜面积对应的正方形的个数得到油膜的面积为250 cm2，可估算油酸分子的直径为________ m．(计算结果保留一位有效数字)

(4)当结束实验或重复做实验时，需将水从浅盘的一角倒出，在这个角的边缘会遗留少许油酸，为了保持浅盘的清洁，不影响下次使用，可以用适量________(选填“酒精”或“清水”)清洗，并用脱脂棉擦去，再用清水冲洗．

考点二　探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系

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p－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．

例2　(2022·天津一中模拟)在“探究气体压强与体积的关系”的实验中，完成下列问题．

(1)实验中的研究对象是________________，实验中应保持不变的参量是________，它的体积由________直接读出，它的压强由________传感器等计算机辅助系统得到．

(2)某同学在实验中测得的数据在计算机屏幕上显示如下表所示，仔细观察“p·V”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的原因可能是________________．

A．实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力越来越大

B．实验时环境温度升高了

C．实验时外界大气压强发生了变化

D．实验时注射器内的气体向外发生了泄漏

(3)某同学在一次实验中，计算机屏幕显示如图所示，其纵坐标表示封闭气体的压强，则横坐标表示的物理量是封闭气体的________．

A．热力学温度T

B．摄氏温度t

C．体积V

D．体积的倒数

(4)实验过程中下列操作错误的是________．

A．推拉活塞时，动作要慢

B．推拉活塞时，手不能握住注射器含有气体的部分

C．压强传感器与注射器之间的软管脱落后，应迅速重新装上继续实验

D．活塞与针筒之间要保持气密性

考点三　测量玻璃的折射率

1．一个重要实验步骤

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

(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＝＝.

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．

例3　(2019·天津卷·9(2))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)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如图所示，其中实验操作正确的是________．

(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n＝________.(用图中线段的字母表示)

考点四　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．原理：Δx＝λ，因此，只要测出Δx、d、l即可测出波长λ.

3．Δx的测量：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＝.

例4　用如图所示的实验装置观察双缝干涉图样．图中①是光源，②是滤光片，③是单缝，④是带有双缝的遮光筒，⑤是光屏．双缝之间的距离是0.2 mm，用的是蓝色滤光片，从右侧目镜中可以看到蓝色干涉条纹．

(1)下列操作能增大光屏上相邻两条亮条纹之间距离的是________．

A．增大双缝之间的距离

B．把单缝向双缝的方向移动

C．将蓝色滤光片改成红色滤光片

D．把光屏向靠近双缝的方向移动

(2)转动测量头的手轮，先将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数如图甲所示，x1＝________ mm，然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，此时手轮上的示数如图乙所示．则相邻两亮条纹的间距是________ mm.

(3)如果已经量得双缝和光屏之间的距离是1 200 mm，则待测光的波长是________ m．(保留三位有效数字)

1．小明同学利用如图甲所示装置测量大气压强．粗细均匀的弯曲玻璃管A臂插入密封的烧瓶，B臂与玻璃管C下部用软管连接，C管开口向上，一定质量的气体被水银封闭于烧瓶内．开始时，B、C管内的水银面等高，在B管上标好此时水银面的位置K.

(1)对烧瓶加热，使烧瓶内的气体温度升高．为使封闭气体的体积不变，应将C管________(填“向上”或“向下”)移动，直至________．

(2)实验中保持气体体积不变，不断加热烧瓶内的气体，记录气体的摄氏温度t和C管内的水银面高出B管内的高度h.作出h－t图像如图乙，由图像得出开始时的温度T0＝________ K，大气压强p0＝________ cmHg(大气压强保留1位小数)．

2．(2022·湖南涟源市第一中学测试)杨氏双缝干涉实验最成功的地方就是采用分光法找到了两束相干光源.1834年，洛埃利用平面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验)．洛埃镜实验的基本装置如图甲所示，S为单色光源，M为平面镜，S光源直接发出的光和经过平面镜M反射的光形成一对相干光源．设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为λ，在光屏上形成如图乙所示干涉条纹．

(1)用某种单色光做干涉实验时，光屏上相邻两条亮条纹(或暗条纹)间距离的表达式Δx＝________，其中L的大小由图丙中的毫米刻度尺读出，L＝________ mm；a的大小由图丁中的游标卡尺读出，a＝________ mm.

(2)已知光屏上第一条亮条纹x1到第七条亮条纹x7之间间距为7.2 cm，则该单色光的波长λ＝________ nm.(结果保留整数)