高考物理总复习知识讲解 热学、光学实验复习

高考冲刺：热学、光学实验复习高考冲刺：热学、光学实验复习 编稿：李传安 审稿：张金虎 【高考展望高考展望】 实验 17、用油膜法估测分子的大小 实验 18、测定玻璃的折射率 实验 19、用双缝干涉测光的波长 课程标准取消了“用油膜法估测分子的大小”的实验。最近几年高考热点实验为： “测定玻璃的折射率” ，考察频率高，有一定的难度，主要体现在考察基本实验方法、数据 处理、作图处理上，而且有进一步深入挖掘的可能。 “用双缝干涉测光的波长”也常有考题， 但这个实验灵活性不足，不便于发挥或进行深入挖掘处理。实验试题的命题趋势：在基本 实验的基础上，向创新和综合方向发展。 【方法点拨方法点拨】 实验 17、实验 18 的实验方法主要体现在基本作图上，这也是实验基本方法，一定要 掌握好。实验 19 的实验方法主要体现在精密量具的读数上，掌握了游标卡尺和螺旋测微器 的原理和读数方法后，对实验 19 的读数也就会了。 【典型例题典型例题】 实验十七、用油膜法估测分子的大小实验十七、用油膜法估测分子的大小 【实验原理】 将一滴已测出体积 V 的油滴在水面上，油在水面上展开形成了一单分子油膜，假设油 分子是球形的，并且油膜中的分子是一个挨着一个紧密排列的，那么便可认为油膜的厚度 就等于油分子的直径实验中如果算出一定体积的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积 为 S，即可算出油酸分子的大小，直径。 V d S 例例 1、在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，油酸酒精溶液的浓度为每 104mL 溶 液中有纯油酸 6mL用注射器得 1mL 上述溶液中有液滴 50 滴把 1 滴该溶液滴入盛水的 浅水盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅水盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，随后把 玻璃放在坐标纸上，其形状如图所示，坐标中正方形小方格的边长为 20mm求： （1）油酸膜的面积是多少？ （2）每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少？ （3）根据上述数据，估测出油酸分子的直径是多少？ 【答案】 （1）2.410-2， （2）1.210-5mL， （3）510-10m。 【解析】（1）求油酸膜的面积时，先数出“整”方格的个数，对剩余小方格的处理方法是： 不足半个的舍去，多于半个的算一个，数一下共有 59 个小方格。 面积 3 2222 0 59 (20 10 )2.4 10SnSmm （2）由于 104mL 中有纯油酸 6 mL，则 1 mL 中有纯油酸， 4 4 6 6 10 10 mLmL 而 1 mL 上述溶液有 50 滴，故 1 滴溶液中含有纯油酸为 6 5113 6 10 1.2 101.2 10 50 mLmLm （3）由知，油酸分子直径。 V d S 11 10 2 1.2 10 5.0 10 2.4 10 dmm 【总结升华】要会快速数出格子的总数；计算分子直径时要注意单位换算。估算类问题的 求解，结果不要求很准确，但数量级不能错。 举一反三举一反三【高清课堂：高清课堂：396693 分子动理论分子动理论 例例 7】 【变式】在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，已知滴入水中的油酸溶液中所含的纯油 酸的体积为 4.010-6 mL，将玻璃板放在浅盘上描出油膜轮廓，再将玻璃板放在边长为 1.0cm 的方格纸上，所看到的图形如图。那么该油膜的面积约为_ cm2（保留两位 有效数字） 。由此可估计出油酸分子的直径约为_cm（保留一位有效数字） 。 【答案】85（8388 得全分） ，5108 【解析】大半个格子就计数，小半个格子就舍去，数得格子数约为 85 个，方格纸每格面积 为 1cm2，所以该油膜的面积约为 85 cm2。 油酸分子的直径 66 108 4 4 1010 5 105 10 85 10 V dmmcm S 实验十八、测定玻璃的折射率实验十八、测定玻璃的折射率 【实验原理】 如图所示，当光线 AO 以一定入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入 射光线 AO 对应的出射光线的 OB，从而确定折射光线 OO。 方法一：测出入射角 i 和折射角 r，根据可算出玻璃的折射率。 sin sin i n r 方法二：如图所示，以 O 为圆心，作圆与 OA、OO分别交于 P、Q 点，过 P、Q 点分 别作法线 NN的垂线， 垂足分别为 P、Q，测量出 PP和 QQ的长度，则玻璃的折射率 PP n QQ 例例 2、 （2015 北京卷） “测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa和 bb分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图所示，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针 P1和 P2，用“+”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察并依次插上 P3和 P4。在插 P3和 P4时，应使_(选填选项前的字母)。 A. P3只挡住 P1的像 B. P4只挡住 P2的像 C. P3同时挡住 P1、P2的像 【答案】C 【解析】测定玻璃折射率相对较简单，需要了解本实验的具体实验步骤即可解题。 【考点】测定玻璃的折射率 举一反三举一反三 【变式 1】某同学由于没有量角器，他在完成了光路图以后，以 O 点为圆心，10.00cm 长 为半径画圆，分别交线段 OA 于 A 点，交 O、O连线于 C 点。过 A 点作法线 NN的垂线 AB 交 NN于 B 点，过 C 点作法线 NN的垂线 CD 交于 NN于 D 点，如图所示，用刻度尺量 得 OB=8.00cm，CD=4.00cm。由此可得出玻璃的折射率 n=_。 【答案】1.50 【解析】由图可知，为入射角，为折射角AOBCOD ， sin= AB AOB OA sin= CD COD OC OA=OC=R=10.00cm， 22 6.00ABAOOBcm 折射率 sin6.00 1.50 sin4.00 iAOBAB OAAB n rCODCD OCCD 【变式 2】某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。开始玻璃 砖的位置如图中实线所示，使大头针 P1、P2与圆心 O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖 的直径边，然后使玻璃砖绕圆心 O 缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察 P1、P2的像， 且 P2的像挡住 P1的像。如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失。 此时只需测量出_，即可计算出玻璃砖的折射率。请用你 的方法表示出折射率 n =_。 【答案】玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度 ，。 1 sin n 【解析】由题意可知，当玻璃砖转过某一角度 时，刚好发生全反射，在直径边一侧观察 不到 P1、P2的像，做出如图所示的光路图可知，当转过角度 时，有。 1 sin n 【变式 3】如图所示，在一薄壁圆柱体玻璃烧杯中，盛上水或其他透明液体，中间插入一 根细直铁丝，沿水平方向观看，会发现铁丝在液面处出现折断现象，这是光的折射现象形 成的。阅读上述材料，回答下列问题： （1）若把铁丝插在_位置，无论沿水平方向从什么方向看，铁丝均无折断现象。 如图 1 所示的情景，与实际观察的情况相符的是（其中 O 为圆心）_。 （2）利用上述现象，用毫米刻度尺、三角板、三根细直铁丝，可测液体折射率。 实验步骤是： 用刻度尺测量找出直径 AB，并把刻度尺在刻度线的边缘与 AB 重合后固定并测出直 径 R(如图)。 将一根细铁丝竖直固定于 B 处，用三角板找出过圆心 O 的垂直 AB 的直线，交杯缘 于 C，把一根细铁丝竖直固定于 C 点。 _。 _。 _。 完成上面的实验，填在相应的横线上。 （3）利用上面的测量值，推算出折射率的表达式（要有推算过程）。n 【答案与解析】 （1）圆心 O 处 BC （2）把另一根铁丝紧靠直尺 AB 边移动，使其折射像与 C 处、B 处的铁丝三者重合。 测出铁丝距 B(或 A)的距离。 求出折射率。 （3）由上面的实验步骤知是铁丝在 P 时的像，PC 为入射光线， P 、为对应的入射角和折射角，如图 3 所示。 1 2 由折射定律得， 1 2 sin sin n 又 ， 2 2 sin 22 OBR BCR 1 22 sin () OPRPB PC RRPB 所以折射率. 22 2() 2() RRPB n RPB 例例 3、在做测定玻璃折射率的实验时。 （1）甲同学在纸上正确画出玻璃砖的界面 ab 前， 不慎碰了玻璃砖使它向 ab 方向平移了一些，如图（甲）所示，其后的操作都正确，但画光 路图时，将折射点确定在 ab 和 cd 上，则测出的 n 值将_。 （2）乙同学为了避 免笔尖接触光学面，画出的 ab和 cd都比实际侧面向外侧平移了一些，如图（乙）所示， 以后的操作均正确，画光路图时将入射点和折线点都确定在 ab和 cd上，则测出的 n 值将 _。 （3）丙同学在操作和作图时均无失误，但所用玻璃砖的两个界面明显不平 行，这时测出的 n 值将_。 【答案】 （1）不变。（2）变小。（3）无影响。 【解析】 （1）不变，此时玻璃砖的平移对测量结果没有影响。由图（甲）可看出折射角不 变，入射角相同，故测得的折射率将不变。 （2）变小。由图（乙）可看出，使入射点 O 向左移，折射点向右移，所画出的折射 角 r比实际折射角 r 偏大，由知，测得的折射率偏小。 sin sin i n r （3）无影响。同样可根据入射光线和出射光线确定玻璃内折射光线，从而确定入射角 和折射角，只要第二个界面不发生全反射就行了。不过，入射光线和出射光线不平行，如 图（丙）。 【总结升华】不要凭想象去选择答案，而是要通过作图进行分析，入射角、折射角改变了 没有，如果改变了，是变大了还是变小了，再根据折射定律公式从而得出正确的结论。 举一反三举一反三 【变式】在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面 aa、bb与玻璃砖位置的关系分别如图所示，、和所示，其中甲、丙两同学用的是矩 形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖他们的其他操作均正确，且均以 aa、bb为界面画 光路图则 甲同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大”“偏小”或“不变”) 乙同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大”“偏小”或“不变”) 丙同学测得的折射率与真实值相比 _ 【答案】偏小； 不变； 可能偏大、可能偏小、可能不变。 【解析】用图测定折射率时，玻璃中折射光线偏大了，所以折射角增大，折射率减小； 用图测折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；用图测折射率时，无法确定折 射光线偏折的大小，所以测得的折射率可大、可小、可不变。 实验十九、用双缝干涉测光的波长实验十九、用双缝干涉测光的波长 【实验原理】 如图所示，电灯发出的光，经过滤光片后变成单色光，再经过单缝 S 时发生衍射，这 时单缝 S 相当于一个单色光源，衍射光波同时达到双缝 S1和 S2之后，S1、S2双缝相当于 二个相位完全一致的单色相干光源，透过 S1、S2双缝的单色光波在屏上相遇并叠加，到 S1，S2距离之差是波长整数倍的位置上，(如 P1：P1S2一 P1S1 = 。 P2：P2S2一 P2S1=2)两 列光叠加后加强得到明条纹，在到 S1、S2的距离之差为半波长的奇数倍的位置，两列光相 遇后相互抵消，出现暗条纹。 这样就在屏上得到了平行于双缝 S1、S2的明暗相间的干涉条纹。相邻两条明条纹间的 距离与入射光波长 ，双缝 S1、S2间距离 d 及双缝与屏的距离 L 有关，其关系为：x L x d 只要测出、d、L 即可测出波长 ，若光源与单缝间不加滤光片，则光源所发出的x 各种色光在屏上都分别发生叠加而出现明暗相间的条纹，但各种色光的波长不同，从而两 相邻明条纹间的距离就不同，但是各色光在屏上到与 S1、S2等距离的位置 0 处均出现明条 纹，即明条纹在此重合。从而此处的条纹颜色为白色，但在其他位置上各色光的明条纹并 不重合。从而，显现出彩色条纹。 两条相邻明(暗)条纹间的距离，用测量头测出。x 测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图所示。转动手轮，分划板会左、右移动。 测量时，应使分划板中心刻线对齐条纹的中心(如图所示)记下此时手轮上的读数 a1，转动 手轮，使分划板向一侧移动，当分划板中心刻线对齐另一条相邻的明条纹中心时，记下手 轮上的刻度数 a2，两次读数之差就是相邻两条明条纹间的距离，即。 12 xaa 很小，直接测量时相对误差较大，通常测出 n 条明条纹间的距离，再推算相邻xa 两条明(暗)条纹间的距离。 1 a x n 实验器材放置的顺序： 例例 4、用双缝干涉测光的波长，实验中采用双缝干涉仪，它包括以下元件（ ） A白炽灯 B单缝 C光屏 D双缝 E滤光片（其中双缝和光屏连在遮光筒上） （1）把以上元件安装在光具座上时，正确的排列顺序是：_。 （2）正确调节后，在屏上观察到红色的干涉条纹，用测量头测出 10 条红亮纹间的距离 为 a；改用绿色滤光片，其他条件不变，用测量头测出 10 条绿亮纹间的距离为 b，则一定 有 a _b（填“大于”或“小于” ） （3）若在双缝干涉测光的波长的实验中，所用双缝间距 d=2 mm，双缝到屏的间距 L=86.4cm，手轮的初始读数为=2.12 mm，转动手轮，分划板中心刻线移动到第 13 条线 1 a 时手轮读数=5.54mm，求通过滤光片后的波长。 2 a 【答案】 （1）AEBDC （2）大于（3） 7 6.6 10 m 【解析】 （1）正确的排列顺序是：白炽灯、滤光片、单缝、双缝、光屏，即 AEBDC。 （2）根据双缝干涉条纹间距公式，可知波长越长，干涉条纹间距越大，红光的 L x d 波长大于绿光的波长，所以 a 大于 b。 （3）相邻两条明（暗）条纹间的距离， 21 1 aa x n 又双缝干涉条纹间距公式， L x d 代入数据解得通过滤光片后的波长为 。 33 217 2 2 10(5.542.12) 10 6.6 10 (1)86.4 10(13 1) d aa mm L n 【总结升华】理解实验的基本原理、知道实验器材的正确排列顺序、知道相关计算公式 和、正确进行单位换算。 L x d 21 1 aa x n 举一反三举一反三 【变式 1】利用双缝干涉测光的波长的实验中，双缝间距 d=0.4mm，双缝到光屏间的距离 L=0.5m，用某种单色光照射双缝得到干涉条纹如图所示，分划板在图中 A、B 位置时游标 卡尺读数也由图中所给出，则： （1）分划板在图中 A、B 位置时游标卡尺读数分别为_mm，_ mm， A x B x 相邻两条纹间距=_ mm；x （2）波长的表达式_， （用、L、d 表示），x 该单色光的波长_m； （3）若改用频率较高的单色光照射，得到的干涉条纹间距将_ （填“变大”、 “不变”或“变小”） 【答案】 （1）11.1，15.6 ，0