专题11 光学、热学重点实验（解析版）

专题11：光学、热学重点实验实验一：探究凸透镜成像的规律1．（2022•滨州）小滨同学“探究凸透镜成像的规律”。（1）如图甲所示，小滨让凸透镜正对平行光，调整凸透镜到光屏的距离，光屏上会出现一个很小、很亮的光斑，则该凸透镜的焦距f＝cm。（2）小滨在组装器材时，将蜡烛、凸透镜和光屏依次放在光具座上，点燃蜡烛并调节烛焰、凸透镜、光屏的中心在同一高度上，目的是让烛焰的像成在。（3）如图乙所示，小滨将凸透镜固定在50cm刻度线处，当蜡烛距凸透镜15cm时，移动光屏，可在光屏上得到一个倒立、（选填“缩小”、“等大”或“放大”）的实像，利用该成像规律制成的光学仪器是（选填“照相机”、“投影仪”或“放大镜”）。此时，若在凸透镜与光屏之间放置一远视镜片，要在光屏上成清晰的像，光屏应向（选填“左”或“右”）移动。（4）小滨在实验过程中，光屏上得到清晰的像，突然，一只飞虫落到了凸透镜表面上，则光屏上出现。A.飞虫的像B.飞虫的影子C.仍是烛焰的像【解答】解：（1）如图甲所示，小滨让凸透镜正对平行光，调整凸透镜到光屏的距离，光屏上会出现一个很小、很亮的光斑，此光斑位置即为凸透镜的焦点位置，则该凸透镜的焦距f＝30.0cm﹣20.0cm＝10.0cm；（2）小滨在组装器材时，将蜡烛、凸透镜和光屏依次放在光具座上，点燃蜡烛并调节烛焰、凸透镜、光屏的中心在同一高度上，目的是让烛焰的像成在光屏的中央；（3）如图乙所示，小滨将凸透镜固定在50cm刻度线处，当蜡烛距凸透镜15cm时，f＜u＜2f，移动光屏，可在光屏上得到一个倒立、放大的实像，利用该成像规律制成的光学仪器是投影仪；此时，若在凸透镜与光屏之间放置一远视镜片，远视镜片为凸透镜，对光线有会聚作用，要在光屏上成清晰的像，光屏应向左移动；（4）凸透镜成实像时，所有透过透镜的光会聚到光屏上成像，飞虫落在透镜上后，整个物体发出的光虽有一小部分被挡住，但总会有一部分光通过凸透镜而会聚成像，因此，像与原来相同，大小不变；由于透镜的一小部分被遮住，因此折射出的光线与原来相比减少了，故亮度会变暗，故选C。故答案为：（1）10.0；（2）光屏的中央；（3）放大；投影仪；左；（4）C。2．小吴将水充入一个透明塑料模具中，制成“水凸透镜”，并用此装置探究凸透镜成像规律。（1）将水凸透镜固定到光具座上，用平行光照射透镜，前后移动光屏，直到光屏上呈现一个最小最亮的光斑，如图甲所示，测出水凸透镜的焦距为cm；（2）若将蜡烛、水透镜、光屏依次放在光具座如图乙所示的位置上时，光屏上恰好呈现清晰倒立、（选填“放大”或“缩小”）的实像，这与生活中（选填“放大镜”、“照相机”或“投影仪”）的成像原理相同；（3）保持图乙中各物体位置不变，将装水的注射器连接上水凸透镜，如图丙所示，缓慢向透镜中注水，水凸透镜厚度增加，光屏上的像逐渐模糊，为使像变清晰，应当向（选填“左”或“右”）移动光屏，重新呈现的像与之前的像相比（选填“更大”、“更小”或“大小不变”），同组的小南认为，如果不移动蜡烛和光屏，而将一个度数适当的老花镜紧贴着放在水凸透镜左侧，也能使光屏上的像重新清晰，你认为小南的说法是（选填“正确”或“错误”）的。【解答】解：（1）用平行光照射透镜，再把光屏放在它的另一侧，改变凸透镜与光屏的距离，直到光屏上出现一个最小、最亮的光斑，光斑到凸透镜的距离为焦距，从图中可知凸透镜的焦距f＝60.0cm﹣50.0cm＝10.0cm；（2）蜡烛如图乙所示位置放置时，光屏上恰好呈现清晰的像，此时物距为u＝50.0cm﹣35.0cm＝15.0cm，此时f＜u＜2f，根据凸透镜成像规律可知光屏上呈现放大的实像，这与生活中投影仪原理相同；（3）保持图乙中各物体位置不变，将装水的注射器连接上水凸透镜，如图丙所示，缓慢向透镜中注水，水凸透镜厚度增加，折光能力增强，光屏上的像逐渐模糊，为使像变清晰，应当向左移动光屏，此时像距变小，重新呈现的像与之前的像相比更小；老花镜为凸透镜，对光线有会聚作用，故不能使光屏上的像重新清晰，则小南的说法是错误的。故答案为：（1）10.0；（2）放大；投影仪；（3）左；更小；错误。实验二：探究平面镜成像的特点3．（2022•青岛）五代时期名士谭峭所著《化书》中，记载了照镜子时“影与形无异”的现象。关于平面镜成像的特点，小明用图甲所示装置进行了探究。（1）用玻璃板代替平面镜进行实验，目的是便于。（2）把一支点燃的蜡烛A放在玻璃板前面，再拿一支外形相同但不点燃的蜡烛B在玻璃板后面移动，直到看上去它跟蜡烛A的像完全重合，说明平面镜所成的像与物体大小，证实了“影与形无异”。（3）改变蜡烛A的位置，进行三次实验。用直线将物和像的位置连接起来，如图乙所示，发现物和像的连线与镜面，用刻度尺测得像和物到镜面的距离相等。（4）综上可得，平面镜所成的像与物体关于镜面。（5）蜡烛A的像，是它发出的光经玻璃板反射而形成的像。若在玻璃板后放置一块木板，蜡烛A（选填“仍能”或“不能”）通过玻璃板成像。【解答】解：（1）实验时选择透明的玻璃板，能同时观察到像和代替蜡烛A的蜡烛B，便于确定像的位置；（2）玻璃板后面没有点燃的蜡烛和玻璃板前面点燃蜡烛的像完全重合，说明物体在平面镜中所成的像与物体大小相等；（3）平面镜所成像的大小与物体的大小相等，像和物体到平面镜的距离相等，像和物体的连线与镜面垂直；（4）用数学中的知识点可表示为平面镜所成的像与物体关于镜面对称；（5）平面镜成像是反射光线的反向延长线会聚形成的，所以成的像是虚像，若在玻璃板后放置一块木板，不影响反射光线进入人的眼睛，所以在物体一侧还能看到玻璃板内点亮蜡烛的像。故答案为：（1）确定像的位置；（2）相等；（3）垂直；（4）对称；（5）虚；仍能。4．（2021•百色）小彤同学在“探究平面镜成像的特点”的实验情景如图所示：（1）用玻璃板代替平面镜做实验时，会看到两个不重合的像，分别是玻璃板前后两个面反射形成的，为消除此现象可选用（选填“厚”或“薄”）一些的玻璃板代替平面镜。玻璃板不仅可以成像，还便于确定像的。为了便于比较像与物的大小关系，蜡烛A、B应选择外形（选填“相同”或“不相同”）的。（2）将点燃的蜡烛A竖立在玻璃板的前面，将（选填“点燃”或“未点燃”）的蜡烛B竖立在玻璃板后面并移动，直到看上去蜡烛B跟蜡烛A的像完全重合；（3）标记蜡烛A、B的位置，测得蜡烛B到玻璃板的距离（选填“小于”、“等于”或“大于”）蜡烛A到玻璃板的距离；（4）当蜡烛A远离玻璃板时，像的大小（选填“变小”、“不变”或“变大”）；（5）将光屏竖立在像的位置（与玻璃板平行），光屏上无法呈现蜡烛A的像，说明平面镜所成的像是（选填“虚”或“实”）像。【解答】解：（1）因为厚玻璃板的两个面都可以当作反射面，会出现两个像，影响到实验效果，所以应选用薄玻璃板；将玻璃板垂直放置在水平桌面上，这样能透过玻璃板观察到像，便于确定像的位置；为了比较像与物的大小关系，实验中应选择两支完全相同的蜡烛；（2）如果点燃玻璃板后方的蜡烛B，平面镜则因为光太亮而几乎无法分清镜中的烛焰是像的烛焰还是对面B的烛焰，难以确定像的位置，从而对实验造成影响，所以实验过程中蜡烛B不需要点燃；（3）标记蜡烛A、B的位置，通过测量可知，B到镜面的距离等于蜡烛A到镜面的距离；（4）物与像到平面镜的距离相等，因此若将蜡烛A远离玻璃板时，则像将远离玻璃板移动；平面镜中的像的大小跟物体大小有关，跟物体到平面镜的距离无关，所以物体远离平面镜，像也远离平面镜，像的大小不变；（5）将光屏竖立在像的位置（与玻璃板平行），光屏上无法呈现蜡烛的像，由于虚像不能成在光屏上，所以平面镜成的是虚像。故答案为：（1）薄；位置；相同；（2）未点燃；（3）等于；（4）不变；（5）虚。实验三：探究光的反射定律5．（2022•长沙）为了探究光反射时的规律，小丽把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张可以绕ON翻折的纸板ABCD竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面。她将一束光贴着纸板沿EO方向射向O点，在纸板上用笔描出入射光EO和反射光OF的径迹。（1）如图甲所示，反射角的大小为°。（2）实验过程中，进行下列哪项操作后，在纸板上仍可以看到反射光？（单选）A.如图乙所示，将纸板的右半部分向后翻折B.如图丙所示，将纸板与入射光束一起以ON为轴旋转C.如图丁所示，将纸板与入射光束一起以CD为轴向后倾倒【解答】解：（1）图甲中ON是法线，反射光线与法线的夹角就是反射角，为50°；（2）让入射光沿EO方向射向镜面，在纸板B上可以看到反射光；A.若将纸板B向后折，反射光线、入射光线和法线在同一平面内，后折不同角度不能在纸板上观察到反射光；B.如图丙所示，将纸板与入射光束一起以ON为轴旋转，在纸板上观察到反射光；C.如图丁所示，将纸板与入射光束一起以CD为轴向后倾倒，反射光线还在，但在纸板上观察不到反射光，故选：B。故答案为：（1）50；（2）B。6．（2021•东营）如图为某实验小组“探究光的反射规律”的实验装置，平面镜M放在水平桌面上，E、F是两块粘接起来的硬纸板，而且F板可绕ON转动。（1）使用可以旋转的硬纸板，其目的是；。（2）将入射光线AO向ON靠近时，看到反射光线OB（选填“靠近”或“远离”）ON。（3）若将一束光贴着纸板F沿BO射向O点，光将沿图中的方向射出，说明在光的反射现象中，光路是的。（4）无意中，小明看到自己在平面镜中的像是（选填“放大”、“等大”或“缩小”）的（选填“实”或“虚”）像。（5）某同学在实验时，让入射光线AO沿纸板E射向镜面，然后转动纸板F，并使其与纸板E在同一平面内，但在F上没有发现反射光线，其原因可能是。【解答】解：（1）硬纸板F的主要作用是：①呈现光路；②验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内；（2）若将AO靠近ON，入射角减小，反射角等于入射角，所以OB也靠近法线；（3）当光逆着原来的反射光线入射时，反射光线也逆着原来的入射光线反射出去，即将一束光贴着纸板F沿BO射到O点，光将沿图中的OA方向射出，这说明在反射现象中光路是可逆的；（4）平面镜所成的像是正立、等大的虚像，所以小明看到自己在平面镜中的像是等大的虚像；（5）当E、F在同一平面上时，让入射光线AO沿纸板E射向镜面，在F上没有发现反射光线，这说明硬纸板没有与镜面垂直，反射光线从其他方向射出。故答案为：（1）呈现光路；验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内；（2）靠近；（3）OA；可逆；（4）等大；虚；（5）硬纸板没有竖直放置。实验四：探究水在沸腾前后温度变化的特点7．（2022•青岛）茶圣陆羽在《茶经》中，形容沸腾的水“势如奔涛”。小明组装了如图甲所示的装置，探究水沸腾的特点。（1）装置中温度计的使用存在错误，请指出：。（2）改正错误后进行实验，某时刻温度计的示数如图乙所示，此时水的温度为℃。（3）持续加热至水沸腾，观察到“势如奔涛”的景象，这是一种剧烈的汽化现象。实验表明，水沸腾过程中，温度，需要热量。（4）根据实验数据绘制了温度随时间变化的图象，如图丙所示，其中图线的段表示水的沸腾过程。（5）你知道吗，通过降温居然也能使水沸腾。如图丁所示，将刚停止沸腾的水装入烧瓶，迅速塞上瓶塞并倒置，然后向瓶底浇冷水，发现水重新沸腾起来，原因是瓶内气体温度降低，气压减小，水的沸点。【解答】解：（1）观察甲图可知，图中有的错误是温度计玻璃泡碰到了烧杯壁；（2）图乙知温度计的分度值为1℃，温度计的示数为92℃，即此时水的温度为92℃；（3）（4）水沸腾时吸热但温度保持不变，所以丙图图线的BC段表示水的沸腾过程；（5）水停止沸腾后，迅速塞上瓶塞，把烧瓶倒置并向瓶底浇冷水，会看到烧瓶中的水重新沸腾。因为当向瓶底浇冷水时，瓶内气体温度突然降低，瓶内的水蒸气遇冷液化，瓶内液面上方气压降低，导致沸点降低，所以水重新沸腾起来。故答案为：（1）温度计玻璃泡碰到了烧杯壁；（2）92；（3）不变；吸收；（4）BC；（5）降低。8．（2021•鄂尔多斯）如图甲是探究“水沸腾时温度变化特点”的实验装置。液体酒精水银凝固点﹣117℃﹣39℃沸点78℃357℃（1）某时刻，温度计示数如图乙，温度是℃。（2）根据实验数据，作出了水温随时间变化的图像，如图丙中的a图线。由a图线可知，水沸腾时温度变化的特点是：持续吸热，温度。（3）另一位同学使用相同装置，仅将水的质量减少，其他条件不变，根据实验数据作出水温随时间变化的图像可能是。A．a图线B．b图线C．c图线D．d图线（4）结合图表，分析本实验中应选用液体温度计。【解答】解：（1）该温度计的分度值为1℃，此时温度计的示数为89℃；（2）由图可知，此时水沸点为98℃，水在沸腾过程中，持续吸热，温度保持不变；（3）其它条件不变，减少水的质量，从开始加热到沸腾的时间会缩短，但是水的沸点不变，图象b符合题意，故选B；（4）在标准大气压下，沸水的温度是100℃，酒精的沸点是78℃，水银的沸点是357℃，水银的沸点高于沸水的温度，所以测沸水的温度要选水银温度计。故答案为：（1）89；（2）保持不变；（3）B；（4）水银。实验五：探究固体熔化时温度变化的规律9．（2022•大连）小明在探究“某固体熔化时温度的变化规律”时，所用实验装置如图甲所示。（1）除了实验装置中的器材外，还需要的测量工具是。（2）放置温度计时，考虑到固体熔化前、后体积的变化，温度计玻璃泡应该放置在固体颗粒中间略（选填“靠上”或“靠下”）的位置。（3）实验过程中，小明每隔一段时间记录一次温度，观察到第5min时试管内出现液体，第10min时试管内固体全部变成液体。根据实验数据在方格纸上描点如图乙所示，请用笔画线，将图象补充完整。（4）由图乙中图象可以判断出该固体是晶体，依据是。（5）小刚也用该固体和相同的实验装置完成了实验，他根据数据画出的图象如图丙所示。则小刚实验中存在的问题可能是（写出一条即可）。【解答】解：（1）探究“某固体熔化时温度的变化规律”时，需要用温度计测量固体在每个时刻的温度，所以需要用到秒表；（2）固体熔化前、后体积会发生变化，体积可能变大，也可能变小，为了精确测量温度，温度计的玻璃泡应该靠下；（3）根据图象描点连线，如图所示：；（4）由上图可知