高考物理 第16讲　热学和光学实验

第16讲热学和光学实验题型1用油膜法估测油酸分子的大小1.“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的方法及步骤如下:①向体积V油=1mL的油酸中加入酒精,直至总量达到V总=500mL;②用注射器吸取①中配制好的油酸酒精溶液,把它一滴一滴地滴入小量筒中,当滴入n=100滴时,测得其体积恰好是V0=1mL;③先往边长为30~40cm的浅盘里倒入2cm深的水,然后将均匀地撒在水面上;

④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液,待油酸薄膜形状稳定后,将事先准备好的玻璃板放在浅盘上,并在玻璃板上描下油酸薄膜的形状;⑤将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,如图所示,数出轮廓范围内小方格的个数N,小方格的边长l=20mm.根据以上信息,回答下列问题:(1)步骤③中应填写:爽身粉.

(2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V'是2×10-5mL.

(3)油酸分子直径是4.4×10-10m.

[解析](1)为了显示油酸膜的形状,需要在水面上撒爽身粉.(2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V'=V0V油nV总=1100×(3)根据大于半个方格的算一个,小于半个方格的舍去,由题图可知,油酸薄膜形状占据的方格数大约为113个,故面积S=113×20×20mm2≈4.5×104mm2,油酸分子直径d=V'S=2×10-5×1034.2.在做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验时,具体操作如下:Ⅰ.取油酸1.00mL注入2500mL的容量瓶内,然后向瓶中加入酒精,直到液面达到2500mL的刻度为止,摇动瓶使油酸在酒精中充分溶解,形成油酸酒精溶液.Ⅱ.用滴管吸取制得的溶液并逐滴滴入量筒,记录滴入的滴数直到量筒中的溶液达到1.00mL为止,恰好共滴了50滴.Ⅲ.在浅盘内注入蒸馏水,待水面稳定后将爽身粉均匀地撒在水面上,静置后用滴管吸取油酸酒精溶液,轻轻地向水面滴一滴溶液,酒精挥发后,油酸在水面上散开形成一层油膜.Ⅳ.待油膜稳定后,测得此油膜面积为1.30×102cm2.这种粗测方法是将每个分子视为球形,让油酸尽可能地在水面上散开,则形成的油膜是由单层油酸分子组成,这层油膜的厚度即可视为油酸分子的直径.(1)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积是8.0×10-6mL.(结果保留两位有效数字)

(2)油酸分子直径是6.2×10-10m.(结果保留两位有效数字)

(3)某学生在做该实验时,发现计算的直径偏大,可能的原因是ABC.

A.爽身粉撒得过多B.计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格C.计算每滴油酸酒精溶液的体积时,1mL的溶液的滴数少记了几滴D.在滴入量筒之前,配制的溶液在空气中搁置了较长时间[解析](1)一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V=1.002500×50mL=8.0×10-6(2)油酸分子直径是d=VS=8.0×10-6×10(3)水面上爽身粉撒得过多,油膜没有充分展开,则测量的面积S偏小,导致计算结果偏大,故A正确;计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格,则测量的面积S偏小,会导致计算结果偏大,故B正确;计算每滴油酸酒精溶液的体积时,1mL的溶液的滴数少记了几滴,则计算得到的每滴油酸酒精溶液的体积偏大,会导致计算结果偏大,故C正确;滴入量筒之前,配制的溶液在空气中搁置了较长时间,酒精挥发使溶液中油酸的浓度变大,形成的油膜面积变大,则会导致计算结果偏小,故D错误.题型2探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系3.[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B.

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2.04×105Pa(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的增大而增大(填“增大”或“减小”).

[解析](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p与1V成正比,故选B(2)若气体被压缩到V=10.0mL,则有1V=110.0mL-1=100×10-3mL-1,由图乙可读出封闭气体压强为p=2.04×10(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.题型3测量玻璃的折射率4.图甲所示是利用插针法测定玻璃砖折射率的实验得到的光路图,玻璃砖的入射面AB和出射面CD并不平行.(1)以入射点O为圆心,以R=5cm长度为半径画圆,与入射线PO交于M点,与折射线的延长线OQ交于F点,过M、F点分别向法线作垂线,量得MN=1.68cm,FE=1.12cm,则该玻璃砖的折射率n=1.5;

(2)若玻璃砖AB面与CD平行,但某同学操作时将界线aa'、bb'画好后误用另一块宽度稍窄的玻璃砖如图乙所示,实验中除用原界线外,其他操作都正确,则测得玻璃的折射率将B.

A.偏大 B.偏小C.不影响结果 D.不能确定[解析](1)由几何知识得,入射角的正弦sini=MNMO=MNR,折射角的正弦sinr=EFOF=EFR,则折射率n=sinisinr=MN(2)如图所示,实线是实际光线,虚线是该同学所作的光线,可见,该同学利用插针法确定入射光线、折射光线后,测得的入射角不受影响,但测得的折射角比真实的折射角偏大,因此测得的折射率偏小.5.(1)如图所示,用“插针法”测定玻璃砖折射率的实验中,下列说法中正确的是 (C)A.若P1、P2的距离较大时,通过玻璃砖会看不到P1、P2的像B.为减少测量误差,P1、P2的连线与法线NN'的夹角应尽量小些C.为了减小作图误差,P3和P4的距离应适当取大些D.若P1、P2的连线与法线NN'夹角较大时,有可能在bb'面发生全反射,所以在bb'一侧会看不到P1、P2的像(2)在该实验中,光线是由空气射入玻璃砖的,根据测得的入射角θ1和折射角θ2的正弦值画出的图线如图所示,从图线可知玻璃砖的折射率是1.5.

(3)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、折射光线的延长线分别交于A、B点,再过A、B点作法线NN'的垂线,垂足分别为C、D点,如图甲所示,则该玻璃砖的折射率n=

ACBD(用图中线段的字母表示);进一步测得所需数据分别为1.68cm和1.12cm,则该玻璃砖的折射率数值为1.5甲乙(4)在用“插针法”测定玻璃砖折射率的实验中,A、B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乙中①、②所示,其中A同学用的是矩形玻璃砖,B同学用的是梯形玻璃砖.他们的其他操作均正确,分别以aa'、bb'为界面画光路图.则A同学测得的折射率与真实值相比偏小(选填“偏大”“偏小”或“不变”);B同学测得的折射率与真实值相比不变(选填“偏大”“偏小”或“不变”).

[解析](1)根据光路可逆性原理可知,光线一定会从下表面射出,光线不会在玻璃砖的内表面发生全反射,则即使P1、P2的距离较大,通过玻璃砖仍然可以看到P1、P2的像,A、D错误;为减少测量误差,入射角应适当大一些,则P1、P2的连线与法线NN'的夹角应尽量大些,B错误;为了减小作图误差,P3和P4的距离应适当取大些,C正确.(2)由n=sinθ1sinθ2,代入数据可得(3)设圆的半径为r,入射角为α,则有sinα=ACr,折射角为β,则有sinβ=BDr,故可得玻璃砖的折射率为n=ACBD;当测得所需数据分别为1.68cm和1.12cm时,该玻璃砖的折射率数值为n=ACBD=1(4)A同学测定折射率时,作出的折射光线如图中虚线所示,实线表示实际光线,可见折射角增大,则由折射定律可知,折射率将偏小;B同学测折射率时,操作正确,与玻璃砖形状无关,故B同学测得的折射率与真实值相等.6.在“测定玻璃的折射率”的实验中,在白纸上放好平行玻璃砖,a和a'分别是玻璃砖与空气的两个界面,如图甲所示.在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在另一侧透过玻璃砖观察,并插上大头针P3,使其挡住P2、P1的像;接着插上大头针P4,使其挡住P3、P2和P1的像,用“·”表示大头针的位置,这样大头针P1、P2就确定了射入玻璃砖的光线.(1)根据以上信息,请在图甲中画出光路图.[答案]如图所示.(2)正确作出光路图后,测量a分界面上的入射角i和折射角r.多次改变入射角,测得多组入射角和折射角,根据测得的入射角和折射角的正弦值,画出了如图乙所示的图像,由图像可知该玻璃的折射率n=1.5(保留两位有效数字).

(3)如图丙所示,在实验过程中画出界面a后,不小心将玻璃砖向上平移了一些,导致界面a'画到图中虚线位置,而在作光路图时界面a仍为开始所画的,则所测得的折射率将偏大(填“偏大”“偏小”或“不变”).

[解析](2)根据折射定律n=sinisinr,所以sinr=1n根据图像得1n=0.40.6,(3)如图所示,在实验过程中画出界面a后,不小心将玻璃砖向上平移了一些,导致界面a'画到图中虚线位置,而在作光路图时界面a仍为开始所画的,入射角i不变,导致折射角r偏小,则所测得的折射率将偏大.7.图甲所示是利用插针法测定玻璃砖折射率的实验得到的光路图,玻璃砖的入射面AB和出射面CD并不平行.(1)以入射点O为圆心,以R=5cm长度为半径画圆,与入射线PO交于M点,与折射线的延长线OQ交于F点,过M、F点分别向法线作垂线,量得MN=1.68cm,FE=1.12cm,则该玻璃砖的折射率n=1.5;

(2)若玻璃砖AB面与CD平行,但某同学操作时将界线aa'、bb'画好后误用另一块宽度稍窄的玻璃砖如图乙所示,实验中除用原界线外,其他操作都正确,则测得玻璃的折射率将B.

A.偏大B.偏小C.不影响结果 D.不能确定[解析](1)由几何知识得,入射角的正弦sini=MNMO=MNR,折射角的正弦sinr=EFOF=EFR,则折射率n=sinisinr=MN(2)如图所示,实线是实际光线,虚线是该同学所作的光线,可见,该同学利用插针法确定入射光线、折射光线后,测得的入射角不受影响,但测得的折射角比真实的折射角偏大,因此测得的折射率偏小.8.小明想测量一块平行玻璃砖的折射率.(1)如图所示,该玻璃砖的A、B面光洁,C、D面粗糙,下列说法正确的是BD(填选项前的字母).

A.如果A面被磨损会直接影响到折射率的测量B.B面不宜直接用手去触碰C.C面不宜直接用手去触碰D.D面边缘有缺损不会影响到折射率的测量(2)经过一系列正确的操作(如图所示),作图得到如图所示的图样,并测得A1A2=A2A4=40.0mm,A1A3=20.0mm,A4A5=12.8mm,则该玻璃砖的折射率为1.56(结果保留3位有效数字).

[解析](1)玻璃砖上下表面不平行也能测出折射率,所以如果A面被磨损不会直接影响到折射率的测量,故A错误;手拿玻璃砖时,手只能接触玻璃砖的粗糙面或棱,不能触摸光洁的光学面,故B正确,C错误;D面边缘有缺损不会影响到折射率的测量,故D正确.(2)根据折射定律得n=sinisinr,由几何关系得sini=A1A3A1A2,sinr=A题型4用双缝干涉测量光的波长9.如图所示是“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,应该C.

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D.

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,应该调节拨杆使单缝与双缝平行.故选C.(2)根据Δx=ldλ,可知要增大条纹间距可以增大双缝到光屏的距离l,减小双缝的间距d,故选D10.在“测定玻璃的折射率”实验中:(1)图甲中某同学在画玻璃砖边界时操作如图甲所示,请指出其不当之处:用手直接触摸玻璃砖的光学面(用玻璃砖代替直尺画边界线)(写出一点即可),实验中,已画好玻璃砖边界ab、cd后,不小心误将玻璃砖向上稍平移了一点,如图乙所示,其他操作正确,则测得玻璃的折射率将不变(选填“变大”“不变”或“变小”).

(2)图丙中,若想增加从目镜中观察到的条纹个数,该同学可B;

A.将单缝向双缝靠近B.将屏向靠近双缝的方向移动C.将屏向远离双缝的方向移动D.使用间距更小的双缝(3)图丙实验,若双缝