复习巩固09 光学、热学实验（解析版）-2025版高三物理寒假精-品讲义

专题09热学和光学实验常考考点真题举例用油膜法估测油酸分子的大小2011·全国·高考真题探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系2023·山东·高考真题测量玻璃的折射率2024·湖北·高考真题用双缝干涉测量光的波长2024·广东·高考真题掌握用油膜法估测油酸分子的大小的实验内容；掌握探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系的实验内容；掌握测量玻璃的折射率的实验内容；掌握用双缝干涉测量光的波长的实验内容；TOC\o"1-2"\h\u核心考点01热学实验 一、用油膜法估测油酸分子的大小 3二、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系 5核心考点02光学实验 9一、测量玻璃的折射率 9二、用双缝干涉测量光的波长 11核心考点01热学实验一、实验：用油膜法估测油酸分子的大小1、实验原理利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜，用D＝eq\f(V,S)计算出油膜的厚度，其中V为一滴油酸酒精溶液中所含油酸的体积，S为油膜面积，这个厚度就近似等于油酸分子的直径，如下图。【注意】把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子（C17H33COOH）中的烃基C17H33-组成的。尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间也存在着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理，并认为它们紧密排布。2、实验器材量筒、注射器、浅盘、油酸酒精溶液、玻璃板、坐标纸、痱子粉或滑石粉、细彩笔、水。3、实验操作配制油酸酒精溶液，取纯油酸1mL，注入500mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500mL刻度线为止。用注射器将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积Vn时的滴数n。根据V0＝eq\f(Vn,n)算出每滴油酸酒精溶液的体积V0。向浅盘里倒入约2cm深的水，并将痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上。用注射器(或滴管)将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，油酸立即在水面散开，形成一块油膜。油膜上没有爽身粉，可以清楚地看出它的轮廓。待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，并将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上。将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S(求面积时以坐标纸上边长为1cm的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个)。根据溶液的比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V，并代入公式D＝eq\f(V,S)算出薄膜的厚度D，即为分子直径。重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，求平均值，即为油酸分子直径的大小。4、误差分析纯油酸体积的计算引起误差。对油膜形状画线时带来误差。数格子法本身是一种估算的方法，从而会带来误差。5、物理量的测量对“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。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。6、误差分析①油酸酒精溶液配制后不要长时间放置，以免浓度改变，产生较大的实验误差。②实验前应注意，浅盘应清洗干净，否则难以形成油膜。③痱子粉的用量不要太多，否则不易成功。撒完痱子粉后，浅盘中的水面应保持平衡，痱子粉应均匀浮在水面上。④向水面滴一滴油酸酒精溶液.滴油酸酒精溶液的滴管口应在离水面1cm之内，否则油膜难以形成。⑤要待油膜形状稳定后，再画轮廓。⑥运用数格子法测油膜面积大于半格的算一格，小于半格的舍去这种方法所取方格的单位越小，计算的面积误差越小。⑦本实验只要求估算分子大小，实验结果数量级符合要求即可。（1）在用油膜法估测分子大小的实验中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入标注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液，然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面达到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图甲所示，坐标格（1）在用油膜法估测分子大小的实验中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入标注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液，然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面达到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图甲所示，坐标格的每个小正方形大小为2cm×2cm，由图甲可以估算出油膜的面积是每个小正方形大小为2cm×2cm，由图甲可以估算出油膜的面积是cm2，由此估算出油酸分子的直径是m（保留一位有效数字）。

（2）做“用油膜法估测分子的大小”实验时，三个同学都有一个操作错误，其中导致最后所测分子直径偏大的是。A．甲同学在配制油酸酒精溶液时，不小心把酒精倒多了一点，导致油酸酒精溶液的实际浓度比计算值小了B．乙同学用注射器和量筒测得58滴油酸酒精溶液为1mL，不小心错记录为57滴C．丙同学计算油膜面积时，把所有不足半格的油膜都算成了一格【答案】256AB/BA【详解】（1）[1][2]液面上纯油酸体积为由图甲计算油膜面积，多于半格算一格，少于半格舍去。则油膜面积约为油酸分子的直径为（2）[3]A．甲同学在配制油酸酒精溶液时，不小心把酒精倒多了一点，导致油酸酒精溶液的实际浓度比计算值小了，则一滴油酸酒精溶液的实际浓度比计算值小，计算得一滴纯油酸的体积比实际值大，则算出的直径偏大，A正确；B．乙同学用注射器和量筒测得58滴油酸酒精溶液为1mL，不小心错记录为57滴，则一滴油酸酒精溶液体积的计算值变大，算出的一滴油酸酒精溶液中纯油酸体积变大，则算出的直径偏大，B正确；C．丙同学计算油膜面积时，把所有不足半格的油膜都算成了一格，则计算得油膜面积变大，直径变小，C错误。故选AB。二、实验：探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系1、实验思路在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下，通过改变密闭注射器中气体的体积，由压力表读出对应气体的压强值，进而研究在恒温条件下气体的压强与体积的关系。2、实验原理先选定一个热力学系统，比如一定质量的空气，在温度不变的情况下，测量气体在不同体积时的压强，再分析气体压强与体积的关系。利用注射器选取一段空气柱为研究对象，如下图所示，注射器下端的开口有橡胶套，它和柱塞一起把一段空气柱封闭。在实验过程中，一方面让空气柱内气体的质量不变；另一方面，让空气柱的体积变化不要太快，保证温度不发生明显的变化。3、实验器材带铁夹的铁架台、注射器、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、橡胶套，刻度尺。4、实验装置图5、物理量的测量利用注射器选取一段空气柱为研究对象，注射器下端的开口有橡胶套，它和柱塞一起把一段空气柱封闭。把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度与压强的几组数据。空气柱的长度l可以通过刻度尺读取，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取。6、实验数据作p－V图像：以压强p为纵坐标，以体积V为横坐标，用采集的各组数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线，如图所示。观察p－V图像的特点看能否得出p、V的定量关系。作p－eq\f(1,V)图像：以压强p为纵坐标，以eq\f(1,V)为横坐标，在坐标纸上描点。如果p－eq\f(1,V)图像中的各点位于过原点的同一条直线上(如图所示)，就说明压强p跟eq\f(1,V)成正比，即压强与体积成反比。如果不在同一条直线上，我们再尝试其他关系。7、实验结论一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比，p－V图线是双曲线的一支，但不同温度下的图线是不同的。8、注意事项实验前检查注射器的气密性，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。改变气体体积时，要缓慢进行。实验过程中，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。读数时视线要与柱塞底面平行。作p－eq\f(1,V)图像时，应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应均匀分布于直线两侧，偏离太大的点应舍弃掉。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。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。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。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。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。某同学想探究气体压强与体积的关系。如图（a）所示仪器，在一有毫米刻度的直尺上固定一根一端封闭的细直均匀玻璃管，封闭端内腔顶部对准直尺的零刻度线，管内有一段被水银封闭的空气柱。某同学想探究气体压强与体积的关系。如图（a）所示仪器，在一有毫米刻度的直尺上固定一根一端封闭的细直均匀玻璃管，封闭端内腔顶部对准直尺的零刻度线，管内有一段被水银封闭的空气柱。操作步骤如下：①如图（b）所示，用铁支架固定木板，钉上白纸，用重锤检查使木板竖直，并在纸上作出一条竖直方向的直线。①如图（b）所示，用铁支架固定木板，钉上白纸，用重锤检查使木板竖直，并在纸上作出一条竖直方向的直线。②使直尺贴近白纸。从刻度尺上读出空气柱长度l；用铅笔画出水银柱长度h'。③将h'投影到竖直线上，量出水银柱投影的高度h（mm），将所得l、h的值填入事先设计好的表格中。④使玻璃管在图示平面内按不同角度倾斜，逐次测出l、h值并填入表内。⑤分别计算封闭气体压强p值、体积V值（由于玻璃管是均匀的，设其截面积为S）。根据实验完成下列填空：(1)测得本地大气压强值为h0（mmHg），若某次使玻璃管开口向上竖直放置，测得空气柱长度l1。水银柱投影h1，则此状态下，空气柱的压强写做。另一次使玻璃管开口向下竖直放置（水银未溢出），测得空气柱长度l2，水银柱投影h2。若实验成功，则h0、l1、h1、l2、h₂应验证满足的关系为。(2)为了更直观得出气体的压强p和体积V是否成反比例关系，可将p-V图像转化为图像。(3)①将被封闭的空气柱置于另一温度环境中，重复实验操作步骤；②换用不同气柱重复实验操作步骤。综合实验和日常学习可以总结出“气体的体积和压强成反比”成立的条件为：。【答案】(1)(2)或(3)质量不变，气体不变，温度不变或气体物质的量不变，温度不变【详解】（1）玻璃管开口向上时，封闭气体压强为，，玻璃管开口向下时，封闭气体压强为，，根据玻意耳定律可得，即（2）根据玻意耳定律可知，所以或者由此可知，为了更直观得出气体的压强p和体积V是否成反比例关系，可将p-V图像转化为或图线。（3）若气体的体积和压强成反比，则所以气体的体积和压强成反比”成立的条件为：质量不变，气体不变，温度不变或气体物质的量不变，温度不变。核心考点2光学实验一、实验：测量玻璃的折射率1、实验原理如下图所示，当光线AO以一定的入射角θ1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O′B，从而求出折射光线OO′和折射角θ2，再根据n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)或n＝eq\f(PN,QN′)计算出玻璃的折射率2实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔。3、实验步骤用图钉把白纸固定在木板上；在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O点的法线NN′；画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P1、P2两根大头针；在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线bb′；眼睛在bb′的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向，使P1的像被P2的像挡住，然后在眼睛这一侧插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上P4，使P4挡住P3和P1、P2的像；移去玻璃砖，拔去大头针，由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O′B及出射点O′，连接O、O′得线段OO′；用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2；改变入射角，重复实验，算出不同入射角时的eq\f(sinθ1,sinθ2)，并取平均值。4、数据分析计算法：由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，算出不同入射角时的n值，并取平均值。图像法：作sinθ1－sinθ2图像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知其斜率为折射率。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＝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′).5、注意事项不能把边界线和入射光线画的过粗。入射角不能太大，也不能太小，在20°-70°之间为宜。玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上。用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb′。实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动。大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一点，以减小确定光路方向时造成的误差。实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差过大，也不宜过大，否则在bb′一侧将看不到P1、P2的像。某同学测量一半圆形透明玻璃砖的折射率，实验过程如下：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：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cm；（2）步骤③中，没有激光射至挡板上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，若测得PQ线段的长度，计算可得玻璃砖的折射率为。（结果保留3位有效数字）【答案】6.43全反射1.61【详解】（1）[1]由图（a）可知，玻璃砖的直径为（2）[2]光束经玻璃砖折射后照在挡板上的区域内，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）[3]当恰好发生全反射时，有[4]代入数据可得二、实验：用双缝干涉测量光的波长1、实验目的会用测量头测量条纹间距离；掌握用公式Δx＝eq\f(l,d)λ测定波长的方法；观察白光及单色光的双缝干涉图样。2、实验原理双缝间距d，双缝到屏的距离l。双缝S1、S2的连线的中垂线与屏的交点为P0。对屏上与P0距离为x的一点P，两缝与P的距离PS1＝r1，PS2＝r2。在线段PS2上作PM＝PS1，则S2M＝r2－r1，因d≪l，三角形S1S2M可看作直角三角形。则r2－r1＝dsinθ(令∠S2S1M＝θ)。另x≈ltanθ≈lsinθ则r2－r1＝deq\f(x,l)，若P处为亮纹，则deq\f(x,l)＝±kλ，(k＝0，1，2，……)，解得x＝±keq\f(l,d)λ。(k＝0，1，2……)，相邻两亮纹或暗纹的中心间距Δx＝eq\f(l,d)λ。3、实验器材光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃光屏、光具座、测量头及刻度尺等。4、实验装置图5、实验步骤观察双缝干涉图样：①将光源、遮光筒、毛玻璃光屏依次安放在光具座上；②接好光源，打开开关，使灯丝正常发光；③调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏；④安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝平行，二者间距约为5～10cm，这时可观察到白光的干涉条纹；⑤在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。测定单色光的波长：①安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹；②使分化板的中心刻线对齐某条亮条纹的中央，如图所示，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分化板中心刻线移至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，得出n个亮条纹间的距离为a＝|a2－a1|，则相邻两亮条纹间距Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1)；③用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)；④重复测量、计算，求出波长的平均值；⑤换用不同的滤光片，重复实验。6、实验数据条纹间距的计算：Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1)；波长计算：λ＝eq\f(d,l)Δx＝eq\f(d|a1－a2|,ln－1)；计算多组数据，求λ的平均值。7、注意事项光源使用线状长丝灯泡，调节时使之与单缝平行且靠近，仪器所用的灯泡，其灯丝冷电阻较小，如果一开始就用12V电压，往往会由于电流过大而使电源的保险丝烧断或过载保护因此，加在灯泡上的电压应逐挡升高至12V,使用时不得超过12V。建议使用汽车或摩托车双灯丝灯泡，可直接打到12V。实验中会出现屏上的光很弱的情况，主要是灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致；干涉条纹是否清晰与单缝和双缝是否平行有关。安装时，要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上，并使单缝、双缝平行且竖直。双缝干涉仪是比较精密的实验仪器，要轻拿轻放，不要随便拆分遮光筒、测量头等元件。在读取a1至a2的整个过程中，不能拨动拨杆或转动测量头,否则会引起干涉条纹移动而使读数无效。测量条纹间距时,测量头中分划板中心线必须与条纹的中央对齐。8、误差分析l的测量：l用毫米刻度尺测量，如果可能，可多次测量求平均值；条纹间距Δx的测定：Δx利用测量头测量．可利用“累积法”测n条亮纹间距，再求Δx＝eq\f(a,n－1)，并且采用多次测量求Δx平均值的方法进一步减小误差。用如图甲所示的双缝干涉实验装置来