24　第一阶段　专题六　第17讲　热学　光学实验-2025版新坐标二轮专题复习与策略物理解析版

热学光学实验突破点一热学实验1．用油膜法估测油酸分子的大小(1)实验原理：将一定体积的油酸滴在水面上，测出单分子油膜的面积，则油膜厚度可看作油酸分子的直径，即d＝VS(2)处理方法①理想化：认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成(如图甲所示)。②模型化：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形(如图乙所示)。③厚度直径化：认为油膜的厚度就是油酸分子的直径(如图乙所示)。2．探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系(1)实验原理：对理想气体要保持温度不变、质量不变，才能得到较好的实验效果，可以用图像处理数据。(2)探究气体压强与体积的关系实验注意点①为保持气体温度不变，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。②在等温过程中，气体的p-V图像呈现为双曲线，要通过坐标变换，画p-1V图像，把双曲线变为直线，以方便判断p和V[典例1](探究等温情况下一定质量气体p、V的关系)某实验小组利用压敏电阻设计可测量气体压强的实验电路，并验证等温条件下气体压强与体积成反比关系。该小组查阅资料得知，所用到的压敏电阻工作面受到的压力F与阻值RP的关系如图甲所示，图中压力F在4N到9N之间时，阻值RP与压力F满足RP＝－3000F＋32000(Ω)，该实验小组在此压力范围内进行实验。已知实验室大气压强为p0＝1.0×105Pa，压敏电阻工作面面积为S＝4×10-5m2，实验过程环境温度不变。该实验小组把压敏电阻(工作面向下)嵌入到活塞上，并设计了如图乙所示的电路图来进行实验，主要实验器材有：微安表(0～100μA，内阻r＝1000Ω)；电阻箱R1(0～99999.9Ω)；电源E(电动势为1.5V，内阻不计)；开关K、导线若干。(1)调节电阻箱的阻值，当工作面受到压力为4N时，电流表示数为50μA，则电阻箱接入阻值为________Ω，此时压敏电阻工作面所处环境的压强为________Pa；(2)打开针管的出气口，调节活塞位置至气体体积为100mL，然后关闭出气口，缓慢推动针管活塞，记录多组针管内气体的体积V以及与之对应的电流I，实验过程中，气体体积越小，微安表的示数________(选填“越大”或“越小”)；(3)在(2)过程中，电流的倒数1I与气体体积的倒数1V若满足关系式________________[解析](1)根据闭合电路欧姆定律得I＝ERP+r+R1，根据题意可知F＝4N时，RP＝20kΩ，代入数据解得R1＝9000Ω，此时压敏电阻工作面所处环境的压强为p1＝FS＝44×10(2)由题意可知，缓慢推动针管活塞的过程中，气体体积越小，气体压强越大，则压敏电阻所受的压力越大，由题图甲可知压敏电阻的阻值越小，由欧姆定律可得微安表的示数越大。(3)由题意可知，打开针管的出气口，针管中气体压强为大气压强，由(1)中分析知此时压敏电阻所受压力为4N，即缓慢推动针管活塞，压敏电阻所受压力从4N开始增大，符合题中阻值RP与压力F的关系，根据玻意耳定律可知pV＝p0V0，解得p＝p0V0V，整理得p＝10V(Pa)，根据压力与压强的关系可知F＝pS，结合题中阻值RP与压力F的关系式和闭合电路欧姆定律可知1I＝2.8×104－0.8[答案](1)90001×105(2)越大(3)1I＝2.8×104－0.8×1V(A突破点二光学实验1．测量玻璃的折射率(1)实验原理：用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O′B，确定出O′点，画出折射光线OO′，然后测量出角θ1和θ2，根据n＝sinθ(2)测量玻璃的折射率实验中数据处理的方法①计算法：由n＝sinθ1sin②图像法：作sinθ1-sinθ2图像，由n＝sinθ③单位圆法：以入射点O为圆心，作半径为R的圆，如图所示，则sinθ1＝lEHlOE，sinθ2＝lE'H'lOE'，lOE＝lOE′＝R，所以用刻度尺量出2．用双缝干涉测量光的波长(1)实验原理：相邻两条亮条纹间距Δx与入射光波长λ，双缝S1、S2的间距d及双缝与屏的距离l满足关系式Δx＝ldλ(2)用双缝干涉测量光的波长实验中数据处理的方法①调节测量头，使分划板的中心刻线对齐第1条亮条纹的中心，记下手轮上的读数a1；②转动手轮，当分划板的中心刻线与第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＝a1特别提醒：(1)不要直接测单个条纹间距Δx，要测几个条纹的间距，计算得出Δx平均值，这样可以减小误差。(2)白光的干涉观察到的是彩色条纹，其中白色在中央，红色在最外边。[典例2](双缝干涉测波长)(2024·安徽统考一模)某同学通过双缝干涉实验测量光的波长，实验装置如图(a)所示。(1)一毛玻璃屏上相邻亮条纹的间距可利用测量头测出，如图(b)所示。先将测量头分划板中心刻线与一亮条纹中心P重合，其读数为0.822mm，然后沿同一方向转动手轮，使分划板中心刻线移过4条暗条纹，与另一亮条纹中心P′重合，相应的读数如图(c)所示，该读数为________mm。(2)已知双缝间的距离为0.2mm，双缝到屏的距离为1.5m，此单色光波长是________mm。(保留三位有效数字)(3)若改用波长更短的单色光重复上述实验，条纹间距将________(选填“变大”“变小”或“不变”)。[解析](1)该读数为20.5mm＋0.2×0.01mm＝20.502mm。(2)已知条纹PP′间还有3条亮条纹，则相邻两亮条纹的间距为Δx＝20.502-0.8224mm＝4.92mm，由干涉条纹的间距公式Δx＝ldλ，解得λ＝6.56×10-4(3)由干涉条纹的间距公式Δx＝ldλ可得，换波长更短的单色光重复上述实验，条[答案](1)20.502(2)6.56×10-4(3)变小[典例3](测量玻璃砖的折射率)(2024·湖北卷)某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率，具体步骤如下：①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线AA′和BB′，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴AA′，并使其圆心位于O点，画出玻璃砖的半圆弧轮廓线，如图(a)所示。②将一细激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃砖，记录折射光线与半圆弧的交点M。③拿走玻璃砖，标记CO光线与半圆弧的交点P。④分别过M、P作BB′的垂线MM′、PP′，M′、P′是垂足，并用米尺分别测量MM′、PP′的长度x和y。⑤改变入射角，重复步骤②③④，得到多组x和y的数据。根据这些数据作出yx图像，如图(b)所示。(1)关于该实验，下列说法正确的是________(单选，填标号)。A．入射角越小，误差越小B．激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差C．选择圆心O点作为入射点，是因为此处的折射现象最明显(2)根据y-x图像，可得玻璃砖的折射率为________(保留三位有效数字)。(3)若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径，则折射率的测量结果________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。[解析](1)在本实验中，为了减小测量误差，入射角应适当大些，因为入射角越大，折射角也越大，则入射角和折射角的测量误差都会减小，从而使折射率测量的误差减小，A错误；与插针法测量相比，激光的平行度好，能更准确地确定入射光线和折射光线，从而更有利于减小实验误差，B正确；选择圆心O点作为入射点，是因为便于计算，并不是因为此处的折射现象最明显，C错误。(2)设入射角为α、折射角为β、半圆弧轮廓线半径(玻璃砖半径)为R，则由几何关系可知sinα＝PP'R＝yR、sinβ＝MM'R＝xR，根据折射定律可得玻璃砖的折射率n＝sinαsinβ＝yx，结合题图(b)可知(3)由(2)问分析可知折射率的表达式中没有半圆弧轮廓线半径R，所以轮廓线半径的测量误差对实验结果没有影响，即折射率的测量结果不变。[答案](1)B(2)1.58(1.56～1.60均可)(3)不变1．(高考新动向·教材新增实验)“研究一定质量气体在体积不变的条件下，压强变化与温度变化的关系”的实验装置示意图如图所示。粗细均匀的弯曲玻璃管A臂插入烧瓶中，B臂与玻璃管C下部用橡胶管连接，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内的水银面等高。(1)此实验中研究对象是________(只填序号：①烧瓶中气体；②烧瓶和AB管中的气体；③BC下面橡胶管中的气体)。若气体温度升高，为使瓶内气体的体积不变，应将C管________(选填“向上”或“向下”)移动，直至B内的水银面回到原位置。(2)实验中使瓶内气体的体积不变，多次改变气体温度，用Δt表示气体升高的摄氏温度，用p表示烧瓶内气体压强。根据测量数据作出的图线是________。ABCD(3)同学还想用此实验装置验证玻意耳定律，在保证温度不变的情况下，寻找体积和压强满足的关系，现在不知道大气压强的具体数值，但大气压强可视为不变。也无法直接测出气体的体积和B管的内径，但该同学通过分析还是可以验证玻意耳定律。保证温度不变的方法是________。(只填序号：①保持实验环境温度不变；②移动C管要迅速；③测量数据要快)[解析](1)由题图可知C管开口向上，所以BC下面软管中的气体的压强等于大气压强与C管竖直部分液柱的压强之和，所以实验中是研究烧瓶和AB管中的气体在体积不变的条件下，压强变化与温度变化的关系；若气体温度升高，瓶内气体的体积不变，则气体压强增大，所以应将C管向上移动，直至B内的水银面回到原位置。(2)瓶中气体的体积不变，设初状态压强为p1，温度为T1，气体升高的摄氏温度与升高的热力学温度相等，则有ΔT＝Δt，由p1T1＝pT1+ΔT可得p＝p1＋p1T1·ΔT＝p1＋p1(3)烧瓶可与外界进行传热，所以要保持实验环境温度不变，缓慢移动C管，稳定后再测量数据，故①正确。[答案](1)②向上(2)C(3)①2．(高考新动向·教材新增实验)(2024·广东统考一模)某同学测量一半圆形透明玻璃砖的折射率，实验过程如下：①用游标卡尺测量玻璃砖的直径d，确定其底面圆心位置并标记在玻璃砖上；②将玻璃砖放在位于水平桌面并画有直角坐标系Oxy的白纸上，使其底面圆心和直径分别与O点和x轴重合，将一长直挡板紧靠玻璃砖并垂直于x轴放置，如图(b)所示；③用激光器发出激光从玻璃砖外壁始终指向O点水平射入，从y轴开始向右缓慢移动激光器，直至恰好没有激光从玻璃砖射出至挡板上y<0的区域时，在白纸上记录激光束从玻璃砖外壁入射的位置P；④取走玻璃砖，过P点作y轴的垂线PQ，用刻度尺测量PQ的长度L。根据以上步骤，回答下列问题：(1)测得半圆形玻璃砖直径d的读数如图(a)所示，则d＝________cm；(2)步骤③中，没有激光射至挡板上y<0区域的原因是激光束在玻璃砖直径所在界面处发生了________；(3)根据以上测量的物理量，写出计算玻璃砖折射率的表达式为n＝________，若测得PQ线段的长度L＝2.00cm，计算可得玻璃砖的折射率为n＝________。(结果保留三位有效数字)[解析](1)由题图(a)可知，玻璃砖的直径为d＝6.4cm＋1mm10×3＝(2)光束经玻璃砖折射后照在挡板上y<0的区域内，当入射角逐渐增大，折射光线消失的时候，就是光束在玻璃界面处发生了全反射。(3)当恰好发生全反射时，有n＝sin90°sinθ＝sin90°PQOP＝[答案](1)6.43(2)全反射(3)d2L专题限时集训(十七)1．(2024·福建省宁德第一中学校考一模)在估测油酸分子大小的实验中，具体操作如下：①取油酸1.0mL注入2500mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到2500mL的刻度为止，摇动瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸酒精溶液；②用滴管吸取制得的溶液逐滴滴入量筒，记录滴入的滴数，直到达到1.0mL为止，恰好共滴了100滴；③在边长约40cm的浅水盘内注入约2cm深的水，将爽身粉均匀地撒在水面上，再用滴管吸取油酸酒精溶液，轻轻地向水面滴一滴溶液，酒精挥发后，油酸在水面上尽可能地散开，形成一层油膜，膜上没有爽身粉，可以清楚地看出油膜轮廓；④待油膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上绘出油膜的形状；⑤将画有油酸膜形状的玻璃板放在边长为1.0cm的方格纸上。(1)利用上述具体操作中的有关数据可知一滴油酸酒精溶液含纯油酸体积为________m3，求得的油酸分子直径为________m(此空保留一位有效数字)。(2)于老师在该实验中最终得到的油酸分子的直径和大多数同学的比较，数据偏大。出现这种结果的原因，可能是________。A．计算油酸膜面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理B．水面上爽身粉撒的较多，油酸膜没有充分展开C．求每滴溶液体积时，1mL的溶液的滴数多记了10滴[解析](1)一滴油酸酒精溶液含纯油酸体积为V0＝12500×1×10-6100m3＝4×10-12m3，由题图可知油膜中大约有112个小方格，则油膜面积为S＝112×(1×10-2)2m2＝1.12×10-2m2，则油酸分子直径为d＝V0S＝4×(2)于老师在该实验中最终得到的油酸分子的直径和大多数同学的比较，数据偏大，根据d＝V0S。计算油酸膜面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理，则油膜面积测量值偏大，油酸分子的直径测量值偏小，故A错误；水面上爽身粉撒的较多，油酸膜没有充分展开，则油膜面积测量值偏小，油酸分子的直径测量值偏大，故B正确；求每滴溶液体积时，1mL的溶液的滴数多记了10滴，则一滴油酸酒精溶液含纯油酸体积测量值偏小，油酸分子的直径测量值偏小，故C错误。故选[答案](1)4×10-124×10-10(2)B2．(2024·江西统考一模)某小组探究气体在等温变化时压强随体积变化的规律。实验方案如下：在带刻度的注射器内密封一段掺入酒精蒸气的空气，然后将注射器与气体压强传感器连接管相连接。气体压强p由传感器测量，气体体积V等于注射器读数与连接管的容积(1cm3)之和。(1)实验时手不要握注射器筒，且应缓慢推动注射器活塞，其目的是____________________________________________________________________。(2)下表是小组采集的一组数据，数据真实可靠，请在图中描出第1至9个数据点，并画出p-1V序号123456789p/kPa99.0110.0120.9135.4154.7181.2223.3281.1330.0V/cm321.019.017.015.013.011.09.07.05.01V/cm0.0480.0530.0590.0670.0770.0910.1110.1430.200(3)由p-1V图像中前8个数据点的分布情况可知：在等温变化时，气体的压强与体积关系为________；第9个数据点显著偏离上述规律，小组猜想是因为气体的质量减小了，下列哪个选项支持该猜想______A．部分酒精蒸气进入气体压强传感器连接管B．在测量第9个数据点时发现注射器筒壁出现模糊，部分酒精蒸气液化[解析](1)实验时手不要握注射器筒，且应缓慢推动注射器活塞，其目的是减小传热和做功对气体温度的影响。(2)描点如图所示。(3)由p-1V图像中前8个数据点的分布情况可知：在等温变化时，气体的压强与体积成反比；由图可知，第9个数据点显著偏离上述规律，可能是在测量第9个数据点时部分酒精蒸气遇冷液化使注射器筒壁出现模糊。故选B[答案](1)减小传热和做功对气体温度的影响(2)见解析图(3)成反比B3．(2024·安徽卷)某实验小组做“测量玻璃的折射率”及拓展探究实验。(1)为测量玻璃的折射率，按如图甲所示进行实验，以下表述正确的一项是______。(填正确答案标号)A．用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a′B．在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2把P1挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2都挡住，再插上大头针P4，使它把P1、P2、P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2C．实验时入射角θ1应尽量小一些，以减小实验误差(2)为探究介质折射率与光的频率的关系，分别用一束红光和一束绿光从同一点入射到空气与玻璃的分界面。保持相同的入射角，根据实验结果作出光路图，并标记红光和绿光，如图乙所示。此实验初步表明：对于同一种介质，折射率与光的频率有关。频率大，折射率________(选填“大”或“小”)。(3)为探究折射率与介质材料的关系，用同一束微光分别入射玻璃砖和某透明介质，如图丙、丁所示。保持相同的入射角α1，测得折射角分别为α2、α3(α2<α3)，则玻璃和该介质的折射率大小关系为n玻璃________(选填“>”或“<”)n介质。此实验初步表明：对于一定频率的光，折射率与介质材料有关。[解析](1)在白纸上画出一条直线a作为界面，把长方体玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边与a对齐。用直尺或者三角板轻靠在玻璃砖的另一长边，按住直尺或三角板不动，将玻璃砖取下，画出直线a′代表玻璃砖的另一边，而不能用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a′，故A错误；在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2把P1挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2都挡住，再插上大头针P4，使它把P1、P2、P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2，故B正确；实验时入射角θ1应尽量大一些，但也不能太大(接近90°)，以减小实验误差，故C错误。故选B。(2)由题图乙可知，入射角相同，绿光的折射角小于红光的折射角，根据光的折射定律n＝sinαsin(3)根据折射定律可知，玻璃的折射率为n玻璃＝sinα1sinα2，该介质的折射率为n介质＝sinα1sinα3，其中α2[答案](1)B(2)大(3)>4．甲、乙两同学在做“测量玻璃的折射率”的实验时，分别选用平行玻璃砖和半圆形玻璃砖做实验。(1)甲同学在画好平行玻璃砖界面两条直线后，不慎误将玻璃砖向上平移至图甲中虚线位置，而其他操作均正确，则测得的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。(2)乙同学插大头针P1、P2确定入射光线，另一侧垂直纸面插大头针P3，OP3为折射光线，作BA、CD垂直法线于A、D两点；则玻璃砖的折射率可表示为n＝________(用图中线段长度表示)；若乙同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心逆时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。[解析](1)如图所示，可知所作的折射光线与实际的折射光线平行，所以在入射角和折射角测量准确的情况下，测得的折射率将不变。(2)