第20讲热学光学实验

第20讲热学、光学实验核心考点考情统计情境图示热学实验2023·山东卷,13光学实验2021·浙江6月卷,18核心考点一热学实验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=VS(2)对体积“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=V0(3)对面积“S”的测量。①浅盘里盛水,把适量的爽身粉均匀地撒在水面上;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。2.探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系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,如图所示。(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,气柱体积是气柱长度与横截面积的乘积,而气柱长度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pV图像中呈现为双曲线,如图甲。处理实验数据时,可通过变换,即画p1V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方法,因为一次函数能更直观地反映物理规律,容易得出相关的对实验研究有用的参数。(2022·山东青岛期末)在“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中,现有油酸和酒精体积比为n∶m配制好的油酸酒精溶液置于容器中,还有一个盛约2cm深水的浅盘,一支滴管,一个量筒。请补充下述实验步骤:(1)

(需测量的物理量用字母表示)。

(2)用滴管将一滴油酸酒精溶液滴入浅盘,等油酸薄膜稳定后,将薄膜轮廓描绘在坐标纸上,如图所示,则油膜面积为(已知坐标纸上每个小方格面积为S,求油膜面积时,半个以上方格面积记为S,不足半个舍去)。

(3)估算油酸分子直径的表达式为d=。

解析:(1)用滴管向量筒内加注N滴油酸酒精溶液,读出其体积V。(2)由题图可得,油膜面积S′=115S。(3)1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为V′=VN·nm+n,由d=答案:(1)用滴管向量筒内加注N滴油酸酒精溶液,读出其体积V(2)115S(3)nV(2023·河北邢台一模)某实验小组用如图甲所示实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化遵循的规律。(1)关于该实验,下列说法正确的是。

A.实验前应将注射器的空气完全排出B.空气柱体积变化应尽可能快些C.空气柱的压强随体积的减小而减小D.作出p1V的图像可以直观反映出p与V的关系(2)为了探究气体在不同温度时发生等温变化是否遵循相同的规律,他们进行了两次实验,得到的pV图像如图乙所示,由图可知两次实验气体的温度大小关系为T1(选填“<”“=”或“>”)T2。

(3)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“pV”或“p1V”)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。

(4)另一小组根据实验数据作出的V1p图线如图丙所示,若实验操作规范正确,则图线不过原点的原因可能是,图乙中的V0代表。

解析:(1)实验是以注射器内的空气为研究对象,所以实验前注射器内的空气不能完全排出,故A错误;空气柱的体积变化不能太快,要缓慢移动注射器保证气体温度不变,故B错误;气体发生等温变化,空气柱的压强随体积的减小而增大,故C错误;p1V图像是一条倾斜的直线,作出p1V图像可以直观反映出p与V的关系,故D正确。(2)在pV图像中,根据pVT=C,即pV=CT,可知离坐标原点越远的等温线温度越高,故T1>T2。(3)由玻意耳定律可知一定质量的理想气体温度不变时,压强与体积成反比,故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p1V图像。如果在误差允许范围内该图线是一条过原点的倾斜直线,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。(4)若他们的实验操作无误,造成图像不过原点的原因可能是注射器中的气体的体积小于实际的封闭气体的体积,结合实验器材可知,可能是实验时未考虑注射器前端与橡胶塞连接处的气体。答案:(1)D(2)>(3)p1V过原点的倾斜直线(4)注射器前端与橡胶塞间有气体注射器前端与橡胶塞间气体的体积核心考点二光学实验1.测量玻璃折射率的处理方法(1)计算法:由n=sin(2)图像法:作sinθ1sinθ2图像,由n=sinθ(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sinθ1=EHOE,sinθ2=E'H'OE2.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)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-a2(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。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,另一种相当于游标卡尺。(2021·浙江6月卷,18)图示是“用双缝干涉测量光的波长”实验的装置。实验中:(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。

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。

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解析:(1)若粗调后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)根据Δx=ld答案:(1)C(2)D(2023·山东德州一模)某同学在做“测定玻璃折射率”的实验时已经画好了部分图线,如图甲所示,并在入射光线AO上插上大头针P1、P2,现需在玻璃砖下表面折射出的光线上插上大头针P3和P4,便能确定光在玻璃砖中的折射光线。(1)确定P3位置的方法正确的是。

A.透过玻璃砖,P3挡住P2的像B.先插上大头针P4,在靠近玻璃砖一侧P3挡住P4的位置C.透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像(2)作出光线在玻璃砖中和出射后光线的光路图,并画出玻璃砖中光线的折射角θ2。(3)经过多次测量作出sinθ1sinθ2的图像如图乙所示,玻璃砖的折射率为。(结果保留3位有效数字)

(4)若该同学在确定P4位置时,被旁边同学碰了一下,不小心把P4位置画的偏左了一些,则测出来的折射率(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

(5)该同学突发奇想用两块同样的玻璃直角棱镜ABC来做实验,两者的AC面是平行放置的,大头针P1、P2的连线垂直于AB面,若操作无误,则在图丙中右边的大头针应该是。

A.P3、P6 B.P3、P4 C.P5、P6 D.P7、P8解析:(1)确定P3位置的正确方法是透过玻璃砖观察,使P3挡住P1、P2的像,故选C。(2)光路如图1所示。(3)根据n=sinθ1sinθ2可知,图像sinθ(4)若该同学在确定P4位置时,被旁边同学碰了一下,不小心把P4位置画得偏左了一些,则P4、P3的连线与bb′的交点偏右,测得的折射角θ2偏大,则根据n=sin(5)光路图如图2所示。根据图2可知,经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处向下偏转,然后射入右侧玻璃砖后平行射出,所以在图中右边的大头针应该是P5、P6,故选C。答案:(1)C(2)见解析图1(3)1.49(4)偏小(5)C能力培养练1.(2023·山东济南一模)在“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中,将1mL的油酸溶于酒精,制成500mL的油酸酒精溶液;测得1mL的油酸酒精溶液有100滴;将1滴油酸酒精溶液滴入事先撒有均匀爽身粉的水槽中,待油膜充分散开后,在玻璃板上描出油膜的轮廓,随后把玻璃板放在坐标纸上,其形状如图所示,坐标纸上正方形小方格的边长为2cm,则一滴油酸酒精溶液中的纯油酸的体积为m3;油酸分子的直径为m。(结果均保留1位有效数字)

解析:一滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积V=1500×1100mL=2×1011m3。由题图可知,共有80个方格,油膜的面积S=80×0.02×0.02m2=3.2×102m2,油酸分子直径为d=VS=2×10-答案:2×10116×10102.某物理兴趣小组根据激光相干性好、亮度高的特点,利用双缝干涉实验原理测量某绿色激光的波长。其实验装置如图甲所示,刻有双缝的黑色纸板和激光笔一起同轴地固定在光具座上,激光经过双缝后投射到光屏表面的条纹如图乙所示,已知双缝间的宽度d=0.2mm,双缝到光屏的距离L=2.0m。(1)使用刻度尺可以读出A、B两条亮条纹间的距离x=mm,则相邻亮条纹的条纹间距Δx=mm。由双缝干涉条纹间距公式可计算出该绿色激光的波长λ=m。(小数点后均保留1位有效数字)

(2)如果用红色激光重新实验,相邻亮条纹间距将会(选填“增大”“减小”或“不变”)。

解析:(1)刻度尺的分度值为1mm,需要估读到分度值下一位,所以A、B两条亮条纹间的距离为x=79.0mm25.0mm=54.0mm,相邻亮条纹的条纹间距Δx=x10=54.010mm=5.4mm,根据Δx=Ldλ可得λ=d(2)根据Δx=Ld答案:(1)54.05.45.4×107(2)增大3.如图是探究气体温度不变时压强与体积关系的实验装置,甲、乙两图中气体的体积分别为(设玻璃管的横截面积为S,水的密度为ρ,重力加速度为g,大气压强为p0)V甲=,V乙=;压强分别为p甲=,p乙=。实验中从测量的几组数据我们发现=,这个等式成立的条件是。

解析:根据圆柱体体积公式V=hS,可得V甲=l1S,V乙=l2S,根据连通器原理可知封闭气体压强为p甲=p0ρgh1,p乙=p0+ρgh2,根据玻意耳定律,p甲V甲=p乙V乙,可知做实验的前提条件是温度保持不变的一定质量气体。答案:l1Sl2Sp0ρgh1p0+ρgh2p甲V甲p乙V乙温度不变,气体质量不变4.(2023·河北石家庄一模)(1)某同学用双缝干涉实验仪测量光的波长,在光具座上正确安装好仪器后,他分别用间距d1=0.20mm和d2=0.25mm的双缝来完成实验,你认为在测量头内观察到单色光的干涉条纹是和(填字母),其中对应双缝间距d1的是(填字母)。

(2)另一同学使用间距为0.20mm的双缝进行实验,调节双缝与屏之间的距离至100.00cm,当分划板中心刻线对准第k个亮条纹中心时,测量头刻度如图甲所示(已加箭头标注),对应的读数为mm。当分划板中心刻线对准第(k+3)个亮条纹中心时,测量头刻度如图乙所示(已加箭头标注),对应的读数为mm。单色光的波长为m(结果保留3位有效数字)。

解析:(1)因为单色光的干涉条纹与单缝和双缝都平行,应沿竖直方向,分划板中心刻线应对准干涉条纹的中心,故选E、F,根据Δx=ldλ,可知d越小,则条纹间距越大,所以对应d1(2)题图甲对应的读数为2mm+38×0.02mm=2.76mm,题图乙对应的读数为11mm+8×0.02mm=11.16mm,则条纹间距为Δx=11.16-2.763答案:(1)EFE(2)2.7611.165.60×107素养提升练5.(2023·山东卷,13)利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上,注射器内封闭一定质量的空气,下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘,托盘中放入砝码,待气体状态稳定后,记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和),逐次增加砝码质量,采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。回答以下问题。(1)在实验误差允许范围内,图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线,说明在等温情况下,一定质量的气体。

A.p与V成正比 B.p与1V(2)若气体被压缩到V=10.0mL,由图乙可读出封闭气体压强为Pa(结果保留3位有效数字)。

(3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而(选填“增大”或“减小”)。

解析:(1)在实验误差允许范围内,题图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线,说明在等温情况下,一定质量的气体p与1V(2)若气体被压缩到V=10.0mL,则有1V=110.0mL1=100×103mL1,由题图乙可读出封闭气体压强为p=204(3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,根据p(V0+ΔV)pV0=pΔV,可知他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而增大。答案:(1)B(2)204×103(3)增大6.(1)如图甲所示,用一个带有刻度的注射器及计算机辅助系统来探究气体压强与体积的关系,实验中所研究的对象是,应保持不变的物理量是和,它的体积可从直接读出,它的压强由图中的压强传感器等计算机辅助系统得到。

(2)某同学在做“气体的压强与体积的关系”实验中,测得的实验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,造成这一现象的可能原因是。

序号V/mLp/(105Pa)p·V/(105Pa·mL)120.01.001020.020218.01.095219.714316.01.231319.701414.01.403019.642512.01.635119.621A.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