2022年高考物理题型讲义（新高考）专题7 第26课时　热学和光学实验

第26课时热学和光学实验命题角度(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．高考题型1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＝eq\f(V,S)，如图1.图12．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＝eq\f(V0,N)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10－10m，若不是则要重做实验．例1(2021·江苏省1月适应性考试·6)在“油膜法估测分子大小”的实验中，将1mL的纯油酸配制成5000mL油酸酒精溶液，用注射器测得1mL溶液为80滴，再滴入1滴这样的溶液到准备好的浅盘中，描出的油膜轮廓如图2所示，数出油膜共占140个小方格，每格边长是0.5cm，由此估算出油酸分子直径为()图2A．7×10－8m B．1×10－8mC．7×10－10m D．1×10－10m答案C解析纯油酸的体积V＝eq\f(1,80)×eq\f(1,5000)mL＝2.5×10－6mL＝2.5×10－12m3.油膜的面积S＝140×0.25cm2＝3.5×10－3m2，则油酸分子的直径为d＝eq\f(V,S)≈7×10－10m，故选C.例2(1)如图3所示的四个图反映“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中的四个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是________(用字母符号表示)．图3(2)某同学在实验中用最终得到的计算结果和大多数同学的计算结果进行比较，数据偏大，对出现这种结果的原因，下列说法中可能正确的是________．A．错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算B．计算油酸膜面积时，错将不完整的方格作为完整方格处理C．计算油酸膜面积时，只数了完整的方格数D．水面上爽身粉撒得较多，油酸膜没有充分展开答案(1)dacb(2)ACD解析(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤为：配制油酸酒精溶液→测定一滴油酸酒精溶液的体积→准备浅盘→形成油膜→描绘油膜轮廓→计算油膜面积→计算分子直径．很显然操作先后顺序应是dacb.(2)由d＝eq\f(V,S)可知，测量结果偏大有两个原因，一是体积比正常值偏大，二是面积比正常值偏小，故可能正确的是A、C、D.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4所示．图4(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5甲．处理实验数据时，要通过变换，即画p－eq\f(1,V)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．图5例3(2021·山东德州市高三期末)某实验小组用注射器和压强传感器探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律，实验装置如图6所示．用活塞和注射器外筒封闭一定质量的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得．图6(1)关于该实验，下列说法正确的是________．A．该实验用控制变量法研究气体的变化规律B．实验时注射器必须水平放置C．注射器内部的横截面积没必要测量D．注射器旁的刻度只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位(2)进行实验操作时，不能推拉活塞过快，其原因是______________________________．(3)该实验小组首先在甲实验室进行了实验，下表为记录的实验数据，其中有一次记录的实验数据错误，记录错误的是________(填错误数据对应的实验序号)．实验序号12345封闭气柱长度L/cm12.0011.0010.009.008.00封闭气柱压强p/(×105Pa)1.011.091.191.331.90(4)该实验小组又利用同一装置对同一封闭气体在另一温度稍高的乙实验室进行了实验，根据甲、乙实验室记录的数据用正确的方法画出的p－eq\f(1,L)图像如图7所示，根据乙实验室记录数据画出的图线应为________(填图线代号)．图7答案(1)ACD(2)防止封闭气体温度发生改变(3)5(4)①解析(1)该实验过程中控制气体的温度不变，即运用了控制变量法；实验时注射器如何放置对实验结果没有影响；实验中要探究的是压强与体积之间的比例关系，所以不需要测量气体的体积，注射器内部的横截面积没有必要测量；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，便于等量的改变体积，可以不标注单位．故选A、C、D.(2)如果活塞推拉得过快，气体的温度将产生显著的变化，实验误差将增大；(3)由实验数据可知气柱长度与气柱压强的乘积基本恒定，前四组数据符合的很好，乘积在11.90～12.12之间，第5组数据的乘积较大，为15.20，说明第5组数据记录错误；(4)气体压强与气体的温度有关，一定质量的气体，在相同体积下，温度越高，压强越大，故图线①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的．例4(2020·山东青岛市三模)如图8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－eq\f(1,p)图线，如图乙所示．图8(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－eq\f(1,p)图像分析可知：如果该图像为______，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，则图线不过坐标原点的原因可能是________，图乙中V0代表________．答案(1)AB(2)过坐标原点的直线(3)压强传感器与注射器间有气体压强传感器与注射器间气体的体积解析(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＝keq\f(1,p)，则该V－eq\f(1,p)图像为过坐标原点的直线．(3)图线不过坐标原点的原因可能是压强传感器与注射器间有气体，题图乙中V0代表压强传感器与注射器间气体的体积．高考题型3测量玻璃的折射率数据处理方法1．计算法：由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，算出不同入射角时的n值，并取平均值．2．图像法：作sinθ1－sinθ2图像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)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9所示，则sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，所以用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′).图9例5(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10所示，则玻璃的折射率n＝________.(用图中线段的字母表示)图10答案(1)AD(2)D(3)eq\f(AC,BD)解析(2)由题图可知，选用的玻璃砖两光学表面平行，则入射光线应与出射光线平行，B、C错误；又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角，A错误，D正确；(3)由折射定律可知n＝eq\f(sin∠AOC,sin∠BOD)＝eq\f(\f(AC,AO),\f(BD,BO))＝eq\f(AC,BD).高考题型4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11)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．图112．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＝eq\f(|a1－a2|,n－1)，则由λ＝eq\f(d,l)Δx＝eq\f(d|a1－a2|,ln－1)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．例6(2019·全国卷Ⅱ·34(2))某同学利用图12所示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(d·Δx,n－1l)(3)630解析(1)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，需要减小条纹间距，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ可知，需要减小双缝到屏的距离l或增大双缝间的距离d，故B项正确，A、C、D项错误．(2)由题意可知，eq\f(Δx,n－1)＝eq\f(l,d)λ，解得λ＝eq\f(d·Δx,n－1l).(3)将已知条件代入公式解得λ＝630nm.1．某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率，所用的玻璃砖两面平行．正确操作后，作出的光路图及测出的相关角度如图13甲所示．图13(1)下列说法正确的是________．A．入射角适当大些，可以提高精确度B．P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些，可以提高精确度C．P1、P2的间距及入射角的大小均与实验的精确度无关(2)此玻璃的折射率计算式为n＝________(用图中的θ1、θ2表示)．(3)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度________(填“大”或“小”)的玻璃砖来测量．(4)若该同学用他测得的多组入射角i与折射角r，作出sini－sinr的图像如图乙所示，下列判断不正确的是________．A．他做实验时，研究的是光线从空气射入玻璃的折射现象B．玻璃的折射率为0.67C．玻璃的折射率为1.49答案(1)A(2)eq\f(sin90°－θ1,sin90°－θ2)(或eq\f(cosθ1,cosθ2))(3)大(4)B解析(1)入射角适当大些，折射角也会大些，折射现象较明显，角度的相对误差会减小，A正确；折射光线是通过隔着玻璃观察成一条直线确定的，大头针间的距离太小，引起的角度误差会较大，故P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高精确度，B、C错误．(2)由折射率公式可得n＝eq\f(sin90°－θ1,sin90°－θ2)＝eq\f(cosθ1,cosθ2).(3)玻璃砖的宽度越大，出射光线的侧移量越大，玻璃砖中折射光线的误差越小，所以应选用宽度大的玻璃砖来测量．(4)由sini－sinr图像可知，eq\f(sini,sinr)＝eq\f(1,0.67)≈1.49>1，故光是从空气射入玻璃的，入射角为i，A正确；由折射率的定义知n＝1.49，B错误，C正确．2．(2020·山东省普通高中学业水平等级模拟考试)某同学在用如图14所示实验装置测量光的波长的实验中，已知两缝间的间距为0.3mm，以某种单色光照射双缝时，在离双缝1.2m远的屏上，用测量头测量条纹间的宽度：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15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，此时手轮上的示数如图乙所示．图甲读数为________mm，图乙读数为________mm.图14图15根据以上实验，测得光的波长是________m(结果保留2位有效数字)．答案2.335(2.332～2.337)15.375(15.372～115.377)6.5×10－7解析题图甲螺旋测微器固定刻度的读数是2.0mm可动刻度的读数是33.5×0.01mm＝0.335mm则螺旋测微器的读数等于2.0mm＋0.335mm＝2.335mm题图乙螺旋测微器固定刻度的读数是15.0mm可动刻度的读数是37.5×0.01mm＝0.375mm则螺旋测微器的读数等于15.0mm＋0.375mm＝15.375mm相邻条纹间距为Δx＝eq\f(x2－x1,n－1)根据双缝干涉的条纹间距公式Δx＝eq\f(l,d)λ则这种单色光的波长λ＝eq\f(Δx·d,l)＝eq\f(x2－x1d,n－1l)代入数据解得λ≈6.5×10－7m.3．(2021·山东日照市高三一模)小明同学利用如图16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.图16(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)．答案(1)向上B管内的水银面再一次回到标记的位置K(2)30075.6解析(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管向上移动，直至B管内的水银面再一次回到标记的位置K.(2)由查理定律可知eq\f(p0＋h,273＋t)＝eq\f(p0,T0)，即h＝eq\f(p0,T0)t＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(273p0,T0)－p0))，结合题图乙，解得T0＝300K，p0≈75.6cmHg.专题强化练1.如图1所示为某同学利用插针法测定半圆形玻璃砖折射率的实验，在一半圆形玻璃砖外面插上P1、P2、P3、P4四枚大头针时，P3、P4恰可挡住P1、P2所成的像，关于该实验：图1(1)以下说法正确的是________；A．P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高准确度B．P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些，可以提高准确度C．入射角θ适当大些，可以提高准确度D．P1、P2的间距及入射角的大小均与实验的准确度无关(2)该玻璃砖的折射率n＝________.答案(1)AC(2)eq\r(3)解析(1)为了减小实验的误差，大头针之间的距离适当大一些，入射角适当大一些，故A、C正确，B、D错误．(2)根据折射定律得，玻璃砖的折射率为n＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3).2．(2021·江苏宿迁市高二期末)用如图2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0.2mm，用的是蓝色滤光片，从右侧目镜中可以看到蓝色干涉条纹．图2(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3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.图3(3)如果已经量得双缝和光屏之间的距离是1200mm，则待测光的波长是________m．(取三位有效数字)答案(1)C(2)2.3312.609(3)4.35×10－7解析(1)根据Δx＝eq\f(l,d)λ可知，增大双缝之间的距离时，条纹间距变小，故A错误；由上式可知，条纹间距与单双缝之间距离无关，故B错误；将蓝色滤光片改成红色滤光片，波长变长，所以条纹间距变大，C正确；由上式可知，把光屏向靠近双缝的方向移动，则条纹间距变小，故D错误．(2)由题图甲可读出x1＝2mm＋0.331mm＝2.331mm由题图乙可读出x2＝15mm＋0.376mm＝15.376mm则相邻亮条纹间距为Δx＝eq\f(x2－x1,5)＝2.609mm(3)由λ＝eq\f(d,l)Δx＝4.35×10－4mm＝4.35×10－7m.3.在做“用油膜法估测分子大小”的实验中，油酸酒精溶液的浓度为每104mL溶液中有纯油酸6mL.用注射器测得1mL上述溶液为75滴，把1滴该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，用彩笔在玻璃板上描出油酸的轮廓，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图4所示，坐标纸中正方形方格的边长为1cm.求：图4(1)油酸膜的面积是多少？(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积？(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径．(4)某同学在实验过程中，在距水面约2cm的位置将一滴油酸酒精溶液滴入水面形成油膜，实验时观察到，油膜的面积会先扩张后又收缩了一些，这是为什么呢？请写出你分析的原因．答案(1)106cm2(2)8×10－6cm3(3)7.5×10－10m(4)见解析解析(1)根据题图中的轮廓可知，油膜面积为S＝106×1cm2＝106cm2(2)由1mL溶液为75滴，可知1滴溶液的体积为eq\f(1,75)mL，又已知每104mL溶液中有纯油酸6mL，则1滴溶液中含纯油酸的体积为V＝eq\f(1,75)×eq\f(6,104)mL＝8×10－6cm3(3)油酸分子直径为d＝eq\f(V,S)＝eq\f(8×10－6,106)cm≈7.5×10－8cm＝7.5×10－10m.(4)主要有两个原因：①水面受到落下油滴的冲击，先陷下后又恢复水平，因此油膜的面积先扩张后又收缩；②油酸酒精溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，使液面收缩．4．某同学用如图5所示装置探究气体做等温变化的规律：图5(1)在实验中，下列哪些操作不是必需的________；A．用橡胶塞密封注射器的下端B．用游标卡尺测量柱塞的直径C．读取压力表上显示的气压值D．读取刻度尺上显示的空气柱长度(2)实验装置用铁架台固定，而不是用手握住注射器，并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是__________________________；(3)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是________．答案(1)B(2)尽可能保证封闭气体在状态变化过程中的温度不变(3)C解析(1)