备战2025年高考二轮复习课件 物理（广东版）专题7 物理实验 第3讲 光学与热学实验

第三讲光学与热学实验通览知识明要点研学考点提能力目录索引0102突破热点聚素养03通览知识明要点研学考点提能力考点一光学实验高考风向标考点考题明细考查频度光学实验2024湖北卷,11;2024河北卷,11(1);2024安徽卷,11;2024广东卷,11(3);2024上海卷,5;2024北京卷,15(1);2023广东卷,11;2023海南卷,14;2022海南卷,14(1)地方卷:3年9考命题角度1测量玻璃的折射率

特别提醒

(1)大头针竖直插在纸上,且间距稍大一些;(2)入射角i不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°);(3)手不能触摸玻璃砖的光学面,更不能把玻璃砖界面当作尺子画界线;(4)实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变;(5)玻璃砖应选用宽度较大的,最好在5

cm以上,若宽度太小,则测量误差较大。例1(2023海南卷)用激光测玻璃砖折射率的实验中,玻璃砖与屏P平行放置,从另一侧用激光笔以一定角度照射,此时在屏上的S1处有激光点,移走玻璃砖,光点移到S2处,回答下列问题:(1)请画出激光束经玻璃砖折射后完整的光路图;(2)已经测出AB=l1,OA=l2,S1S2=l3,则折射率n=

(用l1、l2、l3表示);

(3)若改用宽ab更小的玻璃砖做实验,则S1S2间的距离会

(选填“变大”“变小”或“不变”)。

变小解析

(1)完成光路图,如图所示。

(2)计算折射率设激光在O点入射角为θ、折射角为α,(3)改用宽ab更小的玻璃砖做实验,光路图如图所示由光路图可看出,S1S2间的距离变小。命题角度2用双缝干涉实验测光的波长

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,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。例2

在“用双缝干涉测光的波长”实验中,将实验仪器按要求安装在光具座上,如图甲所示。甲(1)关于该实验,下列说法正确的是

。

A.干涉条纹与双缝垂直B.拿掉单缝也可以看到明显的干涉条纹C.干涉条纹疏密程度与单缝宽度有关D.若用绿色滤光片替换红色滤光片,干涉条纹间距会变小D(2)某同学在做该实验时,在同一视野中选取了A、B两条纹,第一次分划板的中心刻度对齐A条纹的中心时(如图乙所示),游标卡尺的示数如图丙所示;第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时(如图丁所示),游标卡尺的示数如图戊所示。已知双缝间距为0.50mm,双缝到屏的距离为1.00m,则图丙游标尺的读数为

mm,两个相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离为

mm。所测单色光波长为

m。

11.51.36.5×10-7解析

(1)为使屏上的干涉条纹清晰,单缝和双缝必须平行放置,所得到的干涉条纹与双缝平行,故A错误;单缝的作用是产生相干光,所以拿掉单缝不可以看到明显的干涉条纹,故B错误;根据公式Δx=可知,干涉条纹疏密程度与双缝间距离、双缝到屏的距离和光的波长有关,绿光的波长小于红光的波长,若用绿色滤光片替换红色滤光片,干涉条纹间距会变小,C错误,D正确。(2)由图丙可知,读数为x1=11

mm+5×0.1

mm=11.5

mm,由图戊可知,读数为x2=16

mm+7×0.1

mm=16.7

mm,由图乙和图丁可知,A、B两条纹间有4个间距,拓展衍生1.(2022海南卷)在用双缝干涉测量光的波长的实验中,如图所示,则:(1)a、b分别是

。

A.单缝和双缝 B.双缝和单缝C.单缝和单缝 D.双缝和双缝(2)如果双缝间距是d,双缝到毛玻璃的距离是L,第一条亮纹到第六条亮纹间距是x,则光的波长是

。(用x、d、L表示)

A解析

(1)由双缝干涉原理可知,先用滤光片得到单色光,然后用单缝得到细长的光源,最后用双缝得到两束相干光,故a、b分别为单缝和双缝,故选A。2.如图甲所示,用插针法测定玻璃砖折射率。(1)在该实验中,光线是由空气射入玻璃砖,根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图像如图乙所示,从图像可知玻璃砖的折射率为

。1.5(2)该实验小组选取了操作正确的实验记录,在白纸上画出光线的径迹,以入射点O为圆心作圆,与入射光线P1O、折射光线OO'的延长线分别交于A、B点,再过A、B点作法线NN'的垂线,垂足分别为C、D点,如图丙所示,则玻璃的折射率n=

(用图中线段的字母表示)。

(3)在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中,小明、小华二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丁中①、②所示,其中小明用的是矩形玻璃砖,小华用的是梯形玻璃砖。他们的其他操作均正确,且均以aa'、bb'为界面画光路图。则小明测得的折射率与真实值相比

(选填“偏大”“偏小”或“不变”);小华测得的折射率与真实值相比

(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

偏小不变(3)小明所作折射光线(虚线)与实际折射光线(实线)如图所示,此时所测折射角比实际折射角偏大,所以小明测得的折射率与真实值相比偏小。虽然小华所用的是梯形玻璃砖,但在操作正确的情况下不影响入射角和折射角的测量,所以小华测得的折射率与真实值相比不变。考点二热学实验高考风向标考点考题明细考查频度热学实验2024上海卷,1、2;2023山东卷,13;2023江苏卷,9;2023浙江6月选考,16-Ⅲ地方卷:3年5考命题角度1用油膜法估测油酸分子的大小

深化拓展用油膜法估测分子的大小实验注意点(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。(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体。(3)厚度直径化:认为油膜的厚度等于油酸分子的直径。例3(2024北京海淀区模拟)利用“油膜法估测分子直径”的实验体现了通过对宏观量的测量来实现对微观量的间接测量的方法。(1)甲同学配制好油酸酒精溶液,并测出一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积为V,之后又进行了下列操作,其中错误的一项是

;其余正确操作的合理顺序是

。

A.将一滴纯油酸滴到水面上,让它在水面上自由地扩展为油酸膜B.将一滴油酸酒精溶液滴到水面上,让它在水面上自由地扩展为油酸膜C.向浅盘中倒入约2cm深的水,将痱子粉均匀地撒在水面上D.将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上计算出油酸膜的面积S。再根据d=估算出油酸分子的直径E.将玻璃板盖到浅盘上,用彩笔将油酸膜的轮廓画在玻璃板上ACBED(2)乙同学在做“用油膜法估测分子的大小”实验时,将6mL的油酸溶于酒精中制成104mL的油酸酒精溶液。用注射器取适量溶液滴入量筒,测得每滴入75滴,量筒内的溶液增加1mL。用注射器把1滴这样的溶液滴入表面撒有痱子粉的浅盘中,把玻璃板盖在浅盘上并描出油酸膜边缘轮廓,如图2所示。已知玻璃板上正方形小方格的边长为1cm,则油酸膜的面积约为

m2(保留2位有效数字)。由以上数据,可估算出油酸分子的直径约为

m(保留2位有效数字)。

1.1×10-27.1×10-10(3)丙同学将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算,导致最终测出的油酸分子直径

(选填“偏大”或“偏小”)。

偏大(4)在用油膜法估测分子大小的实验中,已知纯油酸的摩尔质量为M,密度为ρ,一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的质量为m,一滴油酸酒精溶液滴在水面上扩散后形成的纯油酸油膜最大面积为S,阿伏加德罗常数为NA。以上各量均采用国际单位制,对于油酸分子的直径和分子数量有如下判断:以上判断正确的是

。A.①和③ B.①和④C.②和④ D.②和③C解析

(1)为了使油膜形成单分子油膜层,实验时,需要将油酸进行稀释,不能直接将一滴纯油酸滴到水面上,让它在水面上自由地扩展为油酸膜,A错误,符合题意。实验时,先向浅盘中倒入约2

cm深的水,将痱子粉均匀地撒在水面上,再将一滴油酸酒精溶液滴到水面上,让它在水面上自由地扩展为油酸膜,随后将玻璃板盖到浅盘上,用彩笔将油酸膜的轮廓画在玻璃板上,最后将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上计算出油酸膜的面积S。再根据d=估算出油酸分子的直径。即正确操作的合理顺序是CBED。(2)利用数格子的方法,油酸膜的面积约为S=112×1×10-2×1×10-2

m2=1.12×10-2

m2,(3)由于d=,若将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算,体积偏大,则所测的油酸分子直径d明显偏大。命题角度2探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系

特别提醒

作p-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。例4(2023山东卷)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。甲乙回答以下问题:(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

成正比(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(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”)。

B2.04×105增大从题图乙可得p=2.04×105

Pa。(3)p增大时,pΔV增大,故记录数据时漏掉了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的增大而增大。拓展衍生3.(2024广东茂名二模)某同学为了测量固体药物的体积,设计了如图甲所示的测量装置(装置密封性良好)。测量步骤如下:①把待测药物放进注射器内;②把注射器活塞推至适当位置,然后将注射器与压强传感器、数据采集器、计算机连接;③移动活塞,记录注射器的刻度值V,以及气体压强值p;④重复上述步骤③,多次测量;⑤根据记录的数据,作出图像,并利用图像计算药物体积。(1)在操作步骤③中,

(选填“缓慢”“快速”或“以任意速度”)移动活塞。(3)选择合适的坐标后,该同学通过描点作图,得到的直线图像如图乙所示,其延长线分别交横、纵坐标于a、b,则待测药物的体积为

(用题目中已知量表示)。

(4)由于压强传感器和注射器连接处软管存在一定容积,由此造成的测量值

(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。

缓慢b小于解析

(1)在操作步骤③中,为了保证气体温度不变,应缓慢移动活塞。(2)设固体药物的体积为V0,以气体为研究对象,根据玻意耳定律可得p(V-V0)=C,(4)由于压强传感器和注射器连接处软管存在一定容积,设该容积为V1,以气体为研究对象,根据玻意耳定律可得p(V+V1-V0真)=C,整理可得V=C·+V0真-V1,结合图乙可知V0真-V1=b=V0测<V0真,可知造成的测量值小于真实值。4.在油膜法估测油酸分子的大小实验中,有下列实验步骤:①往边长约为40cm的浅盘里倒入约2cm深的水,待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上;②用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形状稳定;③将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油膜的面积,根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小;④用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内每增加一定体积时的滴数,由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积;⑤将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。完成下列填空:(1)上述步骤中,正确的顺序是

(填写步骤前面的数字)。

(2)将1mL的油酸溶于酒精,制成1000mL的油酸酒精溶液;测得1mL的油酸酒精溶液有50滴。现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上,测得所形成的油膜的面积是130cm2。由此估算出油酸分子的直径为

m(结果保留2位有效数字)。

(3)某同学在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,计算出的分子直径明显偏大,可能是由于

。

A.油酸分子未完全散开B.计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格C.油酸中含有大量酒精D.求每滴油酸酒精溶液的体积时,1mL的溶液滴数多计了10滴④①②⑤③1.5×10-9AB解析

(1)油膜法估测油酸分子大小的实验步骤为配制油酸酒精溶液,测定一滴油酸酒精溶液的体积,准备试水盘,形成油膜,描绘油膜边缘,测量油膜面积,计算油膜厚度(即油酸分子直径),所以正确的顺序是④①②⑤③。(3)油酸分子未完全散开,则油膜面积偏小,计算出的分子直径明显偏大,故A符合题意;计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格,则油膜面积偏小,计算出的分子直径明显偏大,故B符合题意;油酸中含有大量酒精,对实验结果无影响,故C不符合题意;求每滴油酸酒精溶液的体积时,1

mL的溶液滴数多计了10滴,则油酸的体积偏小,计算出的分子直径明显偏小,故D不符合题意。突破热点聚素养知识精要创新实验:光学、热学创新类实验归纳分析光学实验中“测量玻璃的折射率”的原型实验是通过“插针法”获得光路图进行实验的,在创新考法中可以改变获得光路图的方法进行实验;“用双缝干涉测量光的波长”的实验是用双缝获得相干光源来进行实验的,在创新考法中可以用反射法获得相干光源进行实验。热学实验中“用油膜法估测分子的大小”这个实验很难有创新的考法;探究“等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”的原型实验是注射器与压强传感器组合进行,考查玻意耳定律,本实验既可以从实验器材上进行创新,也可以从实验原理上进行迁移探究“等容情况下一定质量气体压强与温度的关系”。考向分析从近几年山东、浙江、江苏等几省的高考试题来看,高考传统的“一力一电”两个实验题的固化模式并不是不可改变的了,光学和热学的实验题已经多次出现在这些省份的高考试卷上了,加上光学和热学的实验题目相对来说难度较小,比较容易得分,所以在复习备考过程要更加重视光学和热学的实验。案例探究典例(2023广东卷)某同学用激光笔和透明长方体玻璃砖测量玻璃的折射率,实验过程如下:(1)将玻璃砖平放在水平桌面上的白纸上,用大头针在白纸上标记玻璃砖的边界。(2)①激光笔发出的激光从玻璃砖上的M点水平入射,到达ef面上的O点后反射到N点射出。用大头针在白纸上标记O点、M点和激光笔出光孔Q的位置。②移走玻璃砖。在白纸上描绘玻璃砖的边界和激光的光路,作QM连线的延长线与ef面的边界交于P点,如图(a)所示。图(a)③用刻度尺测量PM和OM的长度d1和d2。PM的示数如图(b)所示,d1为

cm。测得d2为3.40cm。

图(b)(3)利用所测量的物理量,写出玻璃砖折射率的表达式n=

。由测得的数据可得折射率n为

(结果保留3位有效数字)。

(4)相对误差的计算式为δ=×100%。为了减小d1、d2测量的相对误差,实验中激光在M点入射时应尽量使入射角

。

2.251.51稍小一些解析

(2)刻度尺的分度值为0.1

cm,需要估读到分度值的下一位,则d1=2.25

cm。(3)根据题意标出光线对应的入射角和折射角,如图所示结合几何关系和折射定律得(4)为了减小d1、d2测量的相对误差,则d1、d2要尽量稍大一些,故实验中激光在M点入射时应尽量使入射角稍小一些。角度拓展1.(2024辽宁大连模拟)某实验小组使用图甲所示的装置测量某紫色激光的波长。用光具座固定激光笔和刻有双缝的黑色纸板,双缝间的宽度d=0.2mm,激光经过双缝后投射到光屏中的条纹如图乙所示,由刻度尺读出A、B两亮条纹间的距离x=

mm,通过激光测距仪测量出双缝到光屏间的距离L=2.0m,则该激光波长λ=

m。如果用红色激光重新实验,相邻亮条纹间距会

(选填“变大”“变小”或“不变”)。

甲乙65.06.5×10-7变大解析

刻度尺的最小分度值为1

mm,A亮条纹中心的读数为25.0

mm,B亮条纹中心的读数为90.0

mm,则A、B两亮条纹间的距离x=90.0

mm-25.0

mm=65.0

mm;红光的波长比紫光的波长长,根据相邻亮条纹间距公式可知相邻亮条纹间距会变大。2.(2024广东高三阶段练习)某小组开展研究性学习,欲根据光学知识,测量一半圆柱体玻璃砖的折射率。具体步骤如下:(1)如图甲所示,将白纸固定在水平桌面上,两个量角器作一同心圆O,并标上相应的刻度和度数。甲(2)将被测量半圆柱体玻璃砖垂直放在白纸上,圆柱体的圆心和同心圆的圆心对齐,圆柱体直线边与量角器0刻度线对齐。(3)用铅笔准确描出玻璃砖底面圆的轮廓。(4)用激光笔发出细束激光,对准圆柱体的圆心沿半径方向入射,分别准确记录入射角i和折射角r,图甲中对应的入射角i=

,折射角r=

。(5)改变入射角,再次记下入射角i和折射角r,根据多次测量数值,作出sinr-sini图像如图乙所示,则玻璃砖的折射率为n=

(结果保留两位有效数字)。

乙30.0°48.0°1.5(6)根据相对误差的计算式为δ=×100%,为了减小i、r测量的相对误差,实验中