第23课时热学和光学实验

第23课时热学和光学实验知识网络构建高考题型一热学实验角度1用油膜法估测油酸分子的大小实验装置图：图11.原理：d＝eq\f(V,S)。2对“V”的测量(1)配制一定浓度的油酸和酒精溶液，设其浓度为n；(2)用注射器吸取一段油酸溶液，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，油酸的体积V＝eq\f(V0,N)n。3.对“S”的测量(1)浅盘里盛水，把适量的痱子粉均匀撒在水面上。(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。【例1】在“用单分子油膜估测分子大小”的实验中。(1)某同学操作步骤如下：①取定量的无水酒精和油酸制成一定浓度的油酸酒精溶液；②在量筒中滴入一滴该溶液测出它的体积；③在蒸发皿内盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散开稳定；④在蒸发皿上覆盖透明玻璃描出油膜形状，用透明方格纸测量油膜的面积。上述四步操作中，不可能实现的一步是________，可改为________________________；不完善的一步是________，应改为________________________。(2)本实验中，估测分子大小的方法是将每个分子视为________模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为______油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的________。(3)若油酸酒精溶液体积浓度为0.10%，一滴溶液的体积为4.8×10－3mL，其形成的油膜面积为40cm2，则估测出油酸分子的直径为________m。答案(1)②在量筒中滴入N滴溶液③先在水面上撒上薄薄的一层痱子粉，再滴入一滴油酸酒精溶液(2)球体单分子层直径(3)1.2×10－9解析(1)不可能实现的一步是②，应在量筒中滴入N滴溶液后测量它的体积；不完善的一步是③，为能清楚地看清油膜的形状，要先在水面上撒上薄薄的一层痱子粉，再滴入一滴油酸酒精溶液。(2)这种估测方法是将每个分子视为球体模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为单分子层油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的直径。(3)油膜面积S＝40cm2，每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V＝0.10%×4.8×10－3mL＝4.8×10－6mL，则油酸分子的直径d＝eq\f(V,S)＝eq\f(4.8×10－6×10－6,40×10－4)m＝1.2×10－9m。角度2探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系实验装置图：图21.用注射器封闭一段空气，把橡胶套塞住，保证气体的质量不变。2.读出空气柱的长度L和空气柱的压强p。3.缓慢向下压或向上拉，分别读取空气柱的长度和气体压强的大小，记录数据。4.根据数据得出p－V图像或p－eq\f(1,V)图像，得出p、V的关系。【例2】如图3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：图3①在注射器内用活塞封闭一定质量的气体，将注射器、压强传感器、数据采集器和计算机逐一连接起来；②移动活塞至某一位置，记录此时注射器内封闭气体的体积V1和由计算机显示的气体压强值p1；③重复上述步骤②，多次测量并记录；④根据记录的数据，作出相应图像，分析得出结论。(1)关于本实验的基本要求，下列说法中正确的是______(选填选项前的字母)。A.移动活塞时应缓慢一些B.封闭气体的注射器应密封良好C.必须测出注射器内封闭气体的质量D.气体的压强和体积必须用国际单位(2)为了能最直观地判断气体压强p与气体体积V的函数关系，应作出________(选填“p－V”或“p－eq\f(1,V)”)图像。对图线进行分析，如果在误差允许范围内该图线是一条________________，就说明一定质量的气体在温度不变时，其压强与体积成反比。(3)在不同温度环境下，另一位同学重复了上述实验，实验操作和数据处理均正确。环境温度分别为T1、T2，且T1>T2。在如图所示的四幅图中，可能正确反映相关物理量之间关系的是________(选填选项的字母)。答案(1)AB(2)p－eq\f(1,V)过原点的倾斜直线(3)AC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”，条件是气体的质量一定，故实验中不能出现漏气的现象，选项B正确；实验时应该缓慢一些，因为移动活塞时，相当于对气体做功或者气体对外做功，如果太快的话，气体的温度就会发生变化，选项A正确；等温变化的规律是p1V1＝p2V2，所以不必要测出气体的质量，选项C错误；只要压强p两边的单位统一，体积V两边的单位统一就可以得出等温变化的规律，选项D错误。(2)如果作p－V图像，因为它们的乘积是不变的，故p－V图像应该是一条曲线，故我们可以通过作p－eq\f(1,V)的图像，p－eq\f(1,V)图像应该是一条过原点的倾斜直线。(3)由于实验操作和数据处理均正确，则温度高的对应的pV值较大，在选项A、B中，分别在图线上找到两个点，则pV乘积较大的是T1对应的图线，可见选项A正确，B错误；在选项C、D中，设p＝keq\f(1,V)，则k值大的对应的pV的乘积也大，即斜率越大的对应的温度越高，所以选项C正确，D错误。高考题型二光学实验角度1测量玻璃的折射率实验装置图：图41.原理：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。2.操作步骤(1)在桌面上铺一张白纸，把玻璃砖放在纸上，描出玻璃砖的两个边a和a′；(2)在玻璃砖的一侧插两个大头针A、B，AB的延长线与直线a的交点就是O，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，此时再插入第三个大头针C，使它把A、B都挡住，再插第四个大头针D，使它把前三个大头针都挡住；(3)取下玻璃砖，把AB、CD用直线连接起来，分别交直线a、a′于O、O′，再连接OO′，用量角器得出入射角θ1和折射角θ2，如图4甲所示，代入公式计算出玻璃的折射率。3.也可以作单位圆，如图乙所示，测量EF和GH的长度，用公式n＝eq\f(EF,GH)得出玻璃的折射率。【例3】如图5所示，是某同学在做插针法测定玻璃折射率的实验中记录的数据，其中P1、P2、P3、P4为实验中记录的四枚大头针的位置：图5(1)下列说法正确的是________。A.在观察一侧插大头针P3、P4时，通过玻璃砖看到大头针P2、P1下半部分像和从玻璃砖上方看到的大头针P2、P1上半部分还是连在一起B.在观察一侧插大头针P3、P4时，通过玻璃砖看到大头针P2、P1下半部分像和从玻璃砖上方看到的大头针P2、P1上半部分物错开一段距离C.在观察一侧插大头针P3、P4时，应使P3、P4和P1、P2在一条直线上D.在观察一侧插针时应使P3挡住P2、P1的像，P4挡住P3和P2、P1的像(2)如图9所示，P1、P2的直线与玻璃砖的交点为A，P3、P4的直线与玻璃砖的交点为C。取AC＝CE，从C、E分别作玻璃砖界面的垂线CB和ED，B、D分别为垂足，用刻度尺量得AB＝25.0mm、CD＝40.0mm、ED＝30.0mm，玻璃砖的折射率为__________(结果保留3位有效数字)。答案(1)D(2)1.60解析(1)实验时在直线上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P2挡住P1的像，再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置，故A、B、C错误，D正确。(2)根据题图可知，光线透过玻璃砖时，入射角为θ1，折射角为θ2，则有sinθ1＝eq\f(CD,CE)，sinθ2＝eq\f(AB,AC)，根据折射定律可知玻璃砖的折射率为n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(CD,CE)·eq\f(AC,AB)＝eq\f(CD,AB)＝1.60。角度2用双缝干涉实验测量光的波长实验装置图：图61.原理：λ＝eq\f(d,l)Δx。2.操作步骤(1)先取下双缝，打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮，然后放好单缝和双缝，注意使单缝和双缝平行，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上；(2)在单缝与光源之间放上滤光片就可以观察到单色光的双缝干涉图样；(3)测量双缝到屏的距离l和相邻两条亮条纹间的距离Δx；(4)改变滤光片的颜色和双缝的距离，观察干涉条纹的变化，并求出波长的大小。【例4】现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，需要把它们放在如图7所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。图7(1)将白光光源C放在光具座最左端、依次放置其他光学元件，由左至右，表示各光学元件的字母及排列顺序应为C、______、A。(2)将激光束照在双缝上，在光屏上观察到的现象是选项图中的________。(3)保持双缝到光屏的距离不变，换用间隙更小的双缝，在光屏上观察到的条纹宽度将________；保持双缝间隙不变，减小双缝到光屏的距离，在光屏上观察到的条纹宽度将________(均选填“变宽”“变窄”或“不变”)。(4)将测量头的分划板中心刻线与某条亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数如图8甲所示。然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，记下此时手轮上的示数，如图乙所示，为________mm，求得相邻亮条纹的间距Δx为________mm。图8(5)已知双缝间距d为2.0×10－4m，测得双缝到屏的距离l为0.700m，由计算式λ＝______，求得所测红光波长为______mm(保留2位有效数字)。答案(1)E、D、B(2)A(3)变宽变窄(4)13.8702.310(5)eq\f(d,l)Δx6.6×10－4解析(1)为获取单色线光源，白色光源后面要有滤光片、单缝、双缝，所以各光学元件的字母排列顺序应为C、E、D、B、A。(2)将激光束照在双缝上，将出现双缝干涉现象，而双缝干涉图像的中间是亮条纹，两侧是明暗相间的等间距的干涉条纹，故A正确，B、C、D错误。(3)根据双缝干涉条纹间距Δx＝eq\f(l,d)λ可知，l不变，d减小时，条纹宽度变宽；d不变，l减小时，条纹间距变窄。(4)图乙固定刻度读数为13.5mm，可动刻度读数为37.0×0.01mm＝0.370mm，两者相加为13.807mm。图甲固定刻度读数为2mm，可动刻度读数为32.0×0.01mm＝0.320mm，两者相加为2.320mm，所以相邻亮条纹的间距Δx＝eq\f(13.870－2.320,6－1)mm＝2.310mm。(5)根据Δx＝eq\f(l,d)λ，得λ＝eq\f(d,l)Δx，代入数据得λ＝eq\f(2.0×10－4×2.310×10－3,0.700)m＝6.6×10－7m＝6.6×10－4mm。高考题型三创新实验【例5】(2022·福建厦门二模)寒假期间小明利用图9所示生活中的物品，测量了某型号刀片的厚度。图9实验过程如下：(1)点燃蜡烛，用蜡烛火焰把玻璃片的一面熏黑。(2)并齐捏紧两片刀片，在玻璃片的熏黑面划出两条平直划痕。(3)如图10所示，将激光光源和玻璃片固定在桌上，并将作为光屏的白纸固定在距离足够远的墙上。图10(4)打开激光光源，调整光源的高度并使激光沿水平方向射出，恰好能垂直入射在两划痕上。(5)观察白纸上的干涉条纹如图11所示。用刻度尺测出a、b两点间的距离为____________cm，则两相邻暗纹中心之间的距离Δy＝________cm。图11(6)测量玻璃片到光屏的距离L＝3.00m，已知该红色激光的波长λ＝700nm，利用公式求出双划痕间距d＝________mm，即为刀片厚度(结果保留2位有效数字)。答案(5)10.502.1(6)0.10解析(5)用刻度尺测出a、b两点间的距离为10.50cm，两相邻暗纹中心之间的距离为Δy＝eq\f(10.50,5)cm＝2.1cm。(6)由Δy＝eq\f(L,d)λ得刀片的厚度为d＝0.10mm。1.[2019·全国Ⅲ卷，33(1)]用油膜法估算分子大小的实验中，首先需将纯油酸稀释成一定浓度的油酸酒精溶液，稀释的目的是___________________________________________________________________________________________________。实验中为了测量出一滴已知浓度的油酸酒精溶液中纯油酸的体积，可以____________________________________________________________________________________________________________________________________________。为得到油酸分子的直径，还需测量的物理量是_____________________________________________________________________________________________________。答案使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜把油酸酒精溶液一滴一滴地滴入小量筒中，测出1mL油酸酒精溶液的滴数，得到一滴溶液中纯油酸的体积单分子层油膜的面积解析用油膜法估测分子直径时，需使油酸在水面上形成单分子层油膜，为使油酸尽可能地散开，将油酸用酒精稀释。根据d＝eq\f(V,S)可知，要求得分子的直径d，则需要测出油膜面积，以及一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积。这样需要测出一滴油酸酒精溶液的体积，其方法可用累积法，即1mL油酸酒精溶液的滴数。2.[2019·全国Ⅱ卷，34(2)]某同学利用图示12装置测量某种单色光的波长。实验时，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。回答下列问题：图12(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可________。A.将单缝向双缝靠近B.将屏向靠近双缝的方向移动C.将屏向远离双缝的方向移动D.使用间距更小的双缝(2)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝________。(3)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300mm，测得屏与双缝间的距离为1.20m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56mm。则所测单色光的波长为________nm(结果保留3位有效数字)。答案(1)B(2)eq\f(Δxd,（n－1）l)(3)630解析(1)相邻明(暗)干涉条纹的宽度Δx＝eq\f(l,d)λ，要增加观察到的条纹个数，即减小Δx，需增大d或减小l，因此应将屏向靠近双缝的方向移动，选项B正确。(2)第1条到第n条暗条纹间的距离为Δx，则相邻暗条纹间的距离Δx′＝eq\f(Δx,n－1)又Δx′＝eq\f(l,d)λ，解得λ＝eq\f(Δxd,（n－1）l)。(3)由λ＝eq\f(Δxd,（n－1）l)，代入数据解得λ＝630nm。1.(2021·浙江6月选考，18)图1所示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置。实验中：图1(1)观察到较模糊的干涉条纹，要使条纹变得清晰，值得尝试的是________(单选)。A.旋转测量头B.增大单缝与双缝间的距离C.调节拨杆使单缝与双缝平行(2)要增大观察到的条纹间距，正确的做法是________(单选)。A.减小单缝与光源间的距离B.减小单缝与双缝间的距离C.增大透镜与单缝间的距离D.增大双缝与测量头间的距离答案(1)C(2)D解析(1)若粗调后看不到清晰的干涉条纹，看到的是模糊不清的条纹，则最可能的原因是单缝与双缝不平行，要使条纹变得清晰，值得尝试的是调节拨杆使单缝与双缝平行，故选C。(2)据Δx＝eq\f(l,d)λ知要增大条纹间距可以增大双缝到光屏的距离l，减小双缝的间距d，故选D。2.如图2所示，为测定一块三棱镜的折射率，将三棱镜固定在一张白纸上，并确定好AB和AC界面的位置。然后在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，再从棱镜的右侧观察P1和P2的像。图2(1)此后正确的操作步骤是________。A.插上大头针P3，使P3挡住P2的像B.插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像C.插上大头针P4，使P4挡住P3的像D.插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像(2)正确完成上述操作后，在纸上标出大头针P3、P4的位置，如图3所示，过P1、P2作一条直线与AB边相交于O点，过P3、P4作一条直线与AC变相交于H，并以入射点O为圆心作一个圆，与入射光线相交于D，与OH连线的延长线相交于G，过O点作法线，过D点作法线的垂线交于E，过G点作法线的垂线交于F，则所测玻璃折射率的表达式n＝________________(用代表线段长度的字母表示)。图3答案(1)BD(2)eq\f(DE,GF)解析(1)在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，确定入射光线，然后插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像，从而确定出射光线，故选B、D。(2)设入射角为α，折射角为β，由几何关系有：sinα＝eq\f(DE,R)，sinβ＝eq\f(GF,R)折射率n＝eq\f(sinα,sinβ)＝eq\f(DE,GF)。3.在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪器按要求安装在光具座上(如图4)，单缝保持竖直方向，并选用缝间距为d的双缝屏。从仪器注明的规格可知，毛玻璃屏与双缝屏间的距离为L。接通电源使光源正常工作。(1)组装仪器时，单缝和双缝的空间关系应该为__________。图4A.a代表单缝，b代表双缝B.a代表双缝，b代表单缝C.二者相互垂直放置D.二者相互平行放置(2)将红色滤光片改为绿色滤光片，其他实验条件不变，在目镜中仍可看见清晰的条纹，则__________。A.条纹为竖条纹B.条纹为横条纹C.与红光相比条纹间距变窄D.与红光相比条纹间距变宽(3)经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离为Δx，则这种色光的波长表达式为λ＝________(用题中所给字母表示)。答案(1)AD(2)AC(3)eq\f(d,L)Δx解析(1)因为该实验是双缝干涉实验，故b是双缝，为了使双缝得到的光更具有相干性，在双缝前加一个单缝，所以a是单缝，选项A正确；若单缝是竖直放置，则双缝也需要竖直放置，选项D正确。(2)由于单缝是竖直的，故屏上的条纹是竖条纹，选项A正确，B错误；将红色滤光片改为绿色滤光片后，绿光的波长变小，故看到的条纹间距也应该变小，选项C正确，D错误。(3)因为条纹间距的公式为Δx＝eq\f(L,d)λ，所以波长λ＝eq\f(d,L)Δx。4.(2022·辽宁模拟)小华同学利用圆柱体注射器选取一段空气柱为研究对象来“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”，实验装置如图5甲所示，它由注射器与气压计组成。图5(1)实验的条件：在柱塞上涂油防止漏气，以保证气体________不变；缓慢地推、拉柱塞，以保证在体积改变时________不变。(2)物理量的测量：空气柱的压强p可以从仪器上方压力表的指针读出，空气柱的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。小华实验前用游标卡尺测量了圆柱体注射器的内径，从图乙上读出的测量结果D＝________mm；用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据。(3)数据分析：小华发现空气柱的体积越小，压强就越大。通过分析，为了找到体积与压强的关系，是否一定要测量空气柱的横截面积？________(填“是”或“否”)；为了进一步通过图像来检验空气柱的压强是否跟体积成反比这个猜想，以压强p为纵坐标，应以________(填“V”或“eq\f(1,V)”)为横坐标，把各组数据在坐标系中描点，如果图像中的各点位于延长线过原点的同一条直线上，就说明在温度不变时压强与体积成反比。答案(1)质量温度(2)20.00(3)否eq\f(1,V)解析(1)在柱塞上涂油防止漏气，以保证气体质量不变；缓慢地推、拉柱塞，以保证在体积改变时温度不变。(2)游标卡尺是20分度，读数为20mm＋0×0.05mm＝20.00mm。(3)因为研究的等温下压强与体积的关系，而圆柱体注射器的横截面积是一样的，