专题21 热学和光学实验（讲义）（学生版）

专题21热学和光学实验目录TOC\o"1-4"\h\u01考情透视·目标导航 202知识导图·思维引航 303核心精讲·题型突破 4题型一油膜法估测分子直径 4【核心精讲】 4考点1油膜法估测分子直径 4【真题研析】 5【命题预测】 5考向1油膜法估测分子直径 5题型二探究气体等溫变化的规律 7【核心精讲】 7考点1探究气体等溫变化的规律 7【真题研析】 8【命题预测】 9考向1探究气体等溫变化的规律 9题型三测定玻璃的折射率 11【核心精讲】 11考点1测定玻璃的折射率 11【真题研析】 13【命题预测】 14考向1测定玻璃的折射率 14题型四用双缝干涉测量光的波长 17【核心精讲】 17考点1用双缝干涉测量光的波长 17【真题研析】 18【命题预测】 19考向1用双缝干涉测量光的波长 19命题统计命题要点20242023年2022年热考角度油膜法估测分子直径2023•北京•油膜法估测分子直径探究气体等溫变化的规律2023•山东•探究气体等溫变化的规律测定玻璃的折射率2024•浙江•测定玻璃的折射率、2024•北京•测定玻璃的折射率、2024•安徽•测定玻璃的折射率、2024•湖北•测定玻璃的折射率2023•广东•测定玻璃的折射率、2023•海南•测定玻璃的折射率用双缝干涉测量光的波长2024•广东•用双缝干涉测量光的波长、2024•河北•用双缝干涉测量光的波长2022•海南•用双缝干涉测量光的波长命题规律①油膜法估测分子直径②探究气体等溫变化的规律③测定玻璃的折射率⑤用双缝干涉测量光的波长⑥实验数据处理、误差分析及实验注意事项考向预测本专题属于热点、难点内容；高考命题以实验题的形式出现；热学、光学实验通常以教材内的实验为主，基本的实验仪器使用、读数、实验仪器组装、结构、实验操作、实验数据处误差分析及实验注意事项考查；实验改进及优化命题情境以课内要求必做实验为基础的考查，常用方法控制变量法；图像法题型一油膜法估测分子直径考点1油膜法估测分子直径1.实验器材及原理图：盛水浅盘、注射器(或滴管)、容量瓶、坐标纸、玻璃板、爽身粉、油酸酒精溶液、量筒、彩笔．油膜的厚度等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与它在水面上摊开的面积S之比，即。2.数据测量及分析1)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.2)对“S”的测量①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；②用正方形的个数乘单个正方形的面积S0计算出油膜的面积S(即n0S0)．3)数据分析：用1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和该油膜面积S计算出油膜厚度，即油酸分子的直径，大量实验结果表明，尽管所用的测定分子大小的方法不同，测出的结果也有差异，但数量级是一致的。除了一些有机物质的大分子外，多数分子大小的数量级为10-10m3.注意事项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，浅盘应洗干净，否则难以形成油膜;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.3)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.4)要待油膜形状稳定后，再画轮廓.5)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.6)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．（2023·北京·高考真题）用油膜法估测油酸分子直径是一种通过测量宏观量来测量微观量的方法，已知1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V，在水面上形成的单分子油膜面积为S，则油酸分子的直径。考向1油膜法估测分子直径1．（2024·浙江·一模）在“用油膜法估测分子的大小”实验中，将体积为V1的纯油酸配成总体积为V2的油酸酒精溶液，用注射器取体积为V0的上述溶液，再把它一滴一滴地全部滴入烧杯，滴数为N。(1)把一滴油酸酒精溶液滴入浅盘中，待稳定后得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示。图中每个小正方形格的边长为a，可估算出油酸分子的直径为__________。A． B． C． D．(2)若配制好的油酸酒精溶液敞口后放置了较长时间再使用，实验得到的油酸分子直径数据（选填“偏大”“偏小”或“无影响”）。2．（2024·山西·模拟预测）在“用油膜法估测分子的大小”实验中，将体积为的纯油酸配成总体积为的油酸酒精溶液，用注射器取体积为的上述溶液，再把它一滴一滴地全部滴入烧杯，滴数为N。(1)此后，图甲中操作正确的顺序是（用字母符号表示）。(2)把一滴油酸酒精溶液滴入浅盘中，待稳定后得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图乙所示。图中每个小正方形格的边长为a，则油酸薄膜的面积S=；可估算出油酸分子的直径为（用、、、N、S表示）。(3)若实验得到的油酸分子直径数据偏大，可能是因为______。A．油酸酒精溶液中油酸浓度较小B．痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开C．油膜有部分沾到了浅盘边缘D．未等油膜稳定就开始描绘轮廓3．（2024·云南·模拟预测）某同学在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每溶液中有油酸。用注射器测得上述溶液有75滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，画出油膜的形状如图所示。(1)该实验中的理想化假设是。A．将油膜看成单分子层油膜B．考虑了各油酸分子间的间隙C．将油酸分子看成球形(2)坐标纸中每个小正方形方格的边长为，该同学测出油酸分子的直径是m（结果保留一位有效数字）。(3)该学生完成实验后，查阅资料发现计算出的油酸分子直径偏大，可能的原因是。A．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一些B．在计算注射器滴出的每一滴油酸酒精溶液体积后，不小心拿错了一个注射器把溶液滴在水面上，这个拿错的注射器的针管比原来的粗，每滴油酸酒精溶液的体积比原来的大C．在计算油膜面积时，把凡是半格左右的油膜都算成了一格，导致计算的面积比实际面积大一些题型二探究气体等溫变化的规律考点1探究气体等溫变化的规律1.实验器材及原理图：注射器、橡胶套、压力表(如图所示)2.数据获取：空气的压强p可以从仪器上方的压力表读出，空气柱的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V.把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读出空气柱的长度与压强的几组数据．3.数据处理：在等温过程中，气体的压强和体积的关系在p－V图像中呈现为双曲线的一支，如图甲所示．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，如图乙所示．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接，容易得出相关的对实验研究有用的参数．4.注意事项1)实验前检查注射器的气密性。2)本实验应用控制变量法，探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程)，气体的压强和体积的关系．3)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．4)实验中所用的压力表精度较高，而气柱长度是直接在刻度尺上读出的，其误差会直接影响实验结果。1．（2023·山东·高考真题）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，记录气体压强和体积（等于注射器示数与塑料管容积之和），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．与成正比

B．与成正比（2）若气体被压缩到，由图乙可读出封闭气体压强为（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，则在计算乘积时，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的增大而（填“增大”或“减小”）。考向1探究气体等溫变化的规律1．（2024·全国·模拟预测）为了便于研究一定质量气体在温度不变时气体压强与体积的关系，某兴趣小组同学借助如图所示DIS实验软件系统进行实验，主要步骤如下：①将压强传感器接入数据采集器；②将注射器体积调整为18mL，并接入压强传感器；③打开电脑上“专用软件”，待数据稳定后开始记录气体体积为18mL时的压强值；④减小注射器内气体体积，重复②③操作，每隔1mL记录一次数据，得到如下表实验数据。次序12345压强104.0112.7117.9125.3132.9体积1817161514体积的倒数0.0560.0590.0630.0670.071乘积1872.01915.91886.41879.51860.6回答下列问题：(1)根据表中实验数据，以为纵坐标进行拟合，发现是一条不过原点的直线，应该选择表中为横坐标；(2)将体积一栏每次的体积加上再重新拟合，发现拟合后的直线过了原点，则每次加上的主要为的体积（漏气的体积远小于）；(3)实验小组同学发现将体积一栏每次的体积加上前后，乘积一栏均依次增加，可能原因为。2．（2024·浙江·一模）用图所示装置完成“探究气体等温变化的规律”实验(1)下列说法正确的是A．实验时需要用手扶住注射器外壁B．实验时缓慢地向上拉或向下压柱塞，是为了尽量减小注射器与柱塞间的摩擦C．封闭一定质量的气体时，先要摘除橡胶套，拉动柱塞使之移到适当位置后，再用橡胶套封闭注射器的注射孔(2)某实验小组进行了两次规范的实验，并由记录的数据作出了p—V图像，如图甲、乙图线所示。若两次实验气体的质量一定，则气体温度T甲T乙；若两次实验气体的温度不变，则气体质量m甲m乙(两空均选填“＞”、“＜”或“＝”)。3．（2024·黑龙江哈尔滨·模拟预测）同学们利用图一所示的装置探究气体等温变化的规律。①将注射器下端开口处套上橡胶套，和柱塞一起把一段空气柱封闭；②已知空气柱的横截面积为S，通过刻度尺读取空气柱的长度，可得空气的体积；③从与注射器内空气柱相连的压力表读取空气柱的压强；④把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度与压强，获取空气柱的体积和压强的几组数据；⑤将各组数据在坐标纸上描点，绘制曲线，得出温度不变时气体压强与体积的关系。(1)实验时要缓慢地移动柱塞，原因是。(2)某同学根据测量结果，做出图像，如图二所示，图线不过原点，则代表，体积增大到一定值后，图线开始偏离直线，说明气体的温度。题型三测定玻璃的折射率考点1测定玻璃的折射率1.实验器材及原理图：木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔2.数据处理1)计算法：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.算出不同入射角时的，并取平均值．2)图像法：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作的图像，由可知图像应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率．3)“单位圆”法：以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，如图所示，，，，则.只要用刻度尺量出的长度就可以求出n.3.减小实验误差的方法1)实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2和O、P3与O′之间距离要稍大一些．2)入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)，当θ1太大时，反射光较强，出射光较弱，当θ1太小时，入射角、折射角测量的相对误差较大．4.注意事项1)玻璃砖作为光学元件，应注意保护它的光学面。不能用铅笔直接沿玻璃砖表面画界面线。2)在实验过程中,玻璃砖两个界面应始终与所作的界面线对齐,不能随意移。3)P1和P2、P2和01之间，P3和P4之间、P3和02之间的距离要稍大一些。4)入射角不能太大，也不能太小，在20°~70°之间为宜。5)尽可能将大头针竖直地插在铺有白纸的木板上。6)玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上。7)不能把边界线和入射光线画的过粗。1．（2024·北京·高考真题）某同学测量玻璃的折射率，作出了如图所示的光路图，测出了入射角i和折射角r，则此玻璃的折射率n=。2．（2024·安徽·高考真题）某实验小组做“测量玻璃的折射率”及拓展探究实验．(1)为测量玻璃的折射率，按如图所示进行实验，以下表述正确的一项是________。（填正确答案标号）A．用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和B．在玻璃砖一侧插上大头针、，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使把挡住，这样就可以确定入射光线和入射点。在眼睛这一侧，插上大头针，使它把、都挡住，再插上大头针，使它把、、都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点C．实验时入射角应尽量小一些，以减小实验误差(2)为探究介质折射率与光的频率的关系，分别用一束红光和一束绿光从同一点入射到空气与玻璃的分界面．保持相同的入射角，根据实验结果作出光路图，并标记红光和绿光，如图乙所示．此实验初步表明：对于同一种介质，折射率与光的频率有关．频率大，折射率（填“大”或“小”）(3)为探究折射率与介质材料的关系，用同一束微光分别入射玻璃砖和某透明介质，如图丙、丁所示。保持相同的入射角，测得折射角分别为、，则玻璃和该介质的折射率大小关系为n玻璃n介质（填“”或“”）。此实验初步表明：对于一定频率的光，折射率与介质材料有关。3．（2024·浙江·高考真题）如图所示，用“插针法”测量一等腰三角形玻璃砖（侧面分别记为A和B、顶角大小为）的折射率。①在白纸上画一条直线ab，并画出其垂线cd，交于O点；②将侧面A沿ab放置，并确定侧面B的位置ef③在cd上竖直插上大头针P1和P2，从侧面B透过玻璃砖观察P1和P2，插上大头针P3，要求P3能挡住（选填“P1”、“P2”或“P1和P2”）的虚像；④确定出射光线的位置（选填“需要”或“不需要”第四枚大头针；⑤撤去玻璃砖和大头针，测得出射光线与直线ef的夹角为α，则玻璃砖折射率n=。考向1测定玻璃的折射率1．（2024·河北·模拟预测）某实验小组采用等腰直角三角形玻璃砖做“测玻璃砖的折射率”实验，操作步骤如下：（1）将一张白纸固定在平整的木板上，将直角边长为l的玻璃砖放在白纸上，描出玻璃砖的轮廓ABC，取走玻璃砖，画一条平行于AC的直线DE，与AB边交点标记为O点，并在此直线上插四个大头针1、2、3、4，如图1，再将玻璃砖放到刚才描绘的三角形轮廓位置。（2）一同学在AC侧透过玻璃砖观察大头针，发现无论眼睛怎么移动、怎么前后平移玻璃砖（玻璃砖左边缘始终与纸上描绘的AB边重合），始终无法实现“大头针2挡住大头针1”，其原因可能是。（3）另一同学在BC侧透过玻璃砖观察大头针，前后平移玻璃砖（玻璃砖左边缘始终与纸上描绘的AB边重合），直到大头针4挡住大头针1、2、3；在白纸上描出此时玻璃砖的轮廓AʹBʹCʹ，测出AʹO距离为a。（4）若，此玻璃砖的折射率为（结果可保留根号）。（5）若（3）中，描绘玻璃砖轮廓AʹBʹCʹ前，不小心将玻璃砖向前平移了少许（玻璃砖左边缘仍与纸上描绘的AB边重合），则测量值真实值（填“大于”“等于”或“小于”）。2．（2024·四川达州·一模）如图甲所示，用插针法测定玻璃砖折射率的实验。(1)为取得较好的实验效果，下列操作正确的是______。A．必须选用上下表面平行的玻璃砖 B．选择的入射角应尽量小些C．大头针应垂直地插在纸面上 D．大头针和及和之间的距离适当大些(2)下列做法中导致测的折射率偏大的是______。A．为了避免笔尖触划玻璃砖的折射面，画出的比实际向外侧平移了一些，其他操作均正确无误，并仍以和为折射面画出了光路图B．在实验中将玻璃砖界和的间距画得过窄，而其他操作均正确C．准确画好玻璃砖界面和bb'后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些(3)学生认真正确操作后，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出图线，如图乙所示，从图线可求得玻璃砖的折射率是。3．（2024·浙江台州·一模）如图1为测定半圆形玻璃砖折射率实验，在白纸上放好玻璃砖，在弧形一侧插上两枚大头针和，并使和连线过半圆圆心，再在另一侧观察，调整视线并插入两枚大头针和。在纸上标出的大头针位置和半圆形玻璃砖如图2所示。(1)请在图2中画出所需的光路，并在图中标出测量折射率所需要测量的物理量；(2)请用所标的物理量表示玻璃的折射率：。(3)在实验中画好直径界面时，不慎将半圆形玻璃砖绕点逆时针转动了一个小角度如图3所示，而其他操作均正确，则玻璃折射率的测量值真实值（选填“大于”、“等于”或“小于”）。4．（2024·广西来宾·模拟预测）在“测量玻璃的折射率”实验中，某实验小组做了如下操作：(1)如图甲，先将方格纸平铺在木板上并用图钉固定，长方体玻璃砖平放在纸上，然后在方格纸中画出玻璃砖与空气的两个界面和。在相应位置插上、两枚大头针。然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针和。某学生在插第三枚大头针时，在视线中看到、两枚大头针“断”成了a、b、c、d四截，如图乙所示。正确的做法是让同时挡住。A．a、b B．c、d C．a、c D．b、d(2)请根据实验原理在图甲中补全光路图，并标注出界面的入射角i和折射角r，通过分析实验数据解得玻璃砖的折射率n＝（结果保留两位小数）。(3)如图所示，在实验过程中画出界面后，不小心将玻璃砖向上平移了一些，导致界面到图中虚线位置，而在作光路图时界面仍为开始所画的，则所测得的折射率将（填“偏大”“偏小”或“不变”）。题型四用双缝干涉测量光的波长考点1用双缝干涉测量光的波长1.实验器材及原理图：双缝干涉仪2.数据处理1)条纹间距.相邻两条亮条纹间的距离需用测量头测出。测量头通常有两种（图4.4-2），但都由分划板、目镜、手轮等构成转动手轮，分划板会左右移动。测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐（图4.4-3），记下此时手轮上的读数。然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数。两次读数之差表示这两个条纹间的距离。为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。例如，可测n个亮条纹间的距离a，再求出相邻两个亮条纹间的距离。2)波长.3)计算多组数据，求λ的平均值．3.注意事项1)安装时，注意使光源、透镜、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当．2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近．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。3)调节的基本依据：照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴；干涉条纹不清晰，一般原因是单缝与双缝不平行．4)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。5)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6)本实验仪器型号不同,则测量头也不同，须掌握正确读数方法。用光传感器做双缝干涉的实验：是实验装置图（实验在暗室中进行）。光源在铁架台的最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面是光传感器。这个实验的光路是自上而下的。图中带有白色狭长矩形的小盒是光传感器，沿矩形的长边分布着许多光敏单元。传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后，在显示器上显示出来。根据显示器上干涉图像的条纹间距，可以算出光的波长。用光传感器做双缝干涉的实验：是实验装置图（实验在暗室中进行）。光源在铁架台的最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面是光传感器。这个实验的光路是自上而下的。图中带有白色狭长矩形的小盒是光传感器，沿矩形的长边分布着许多光敏单元。传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后，在显示器上显示出来。根据显示器上干涉图像的条纹间距，可以算出光的波长。2．（2024·广东·高考真题）（删减）下列是《普通高中物理课程标准》中列出的三个必做实验的部分步骤，请完成实验操作和计算。(3)在“用双缝干涉实验测量光的波长”实验调节过程中，在光具座上安装光源、遮光筒和光屏。遮光筒不可调节。打开并调节。使光束沿遮光筒的轴线把光屏照亮。取下光屏，装上单缝、双缝和测量头。调节测量头，并缓慢调节单缝的角度直到目镜中观察到。3．（2024·河北·高考真题）某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长，实验装置如图1所示，其中测量头包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。该同学调整好实验装置后，分别用红色、绿色滤光片，对干涉条纹进行测量，并记录第一条和第六条亮纹中心位置对应的游标尺读数，如表所示：单色光类别单色光110.6018.64单色光28.4418.08根据表中数据，判断单色光1为（填“红光”或“绿光”）。考向1用双缝干涉测量光的波长1．（2025·湖南长沙·一模）小星学习了光的干涉后，用激光笔和双缝组件（如图甲所示）做双缝干涉实验，并测量激光的波长。他按如下步骤组装好设备：先将激光笔打开，让激光垂直照到墙壁上，在墙壁上形成一个小光斑。然后将双缝组件固定在激光笔前方，让激光垂直通过双缝后在远处墙壁上形成干涉图样，如图乙所示。(1)小星做实验时，双缝组件到墙壁距离为，两次所用双缝间距分别为和，用刻度尺测量干涉图样的数据分别如图丙和图丁所示，则图丙是采用间距为mm的双缝测得的结果。根据图丁的测量结果，计算得出激光笔所发出的激光波长为nm（结果保留三位有效数字）。(2)若实验过程中保持激光笔与双缝组件的位置不变，用光屏在离墙壁处承接干涉图样，光屏上的图样与原来的干涉图样相比，会出现的现象是（）A．条纹间距变大B．条纹间距不变C．条纹间距变小D．条纹消失2．（2025·云南·模拟预测）某同学通过双缝干涉实验测量发光二极管发出光的波长。图甲为实验装置示意图，双缝间距，双缝到毛玻璃的距离，实验中观察到的干涉条纹如图乙所示。当分划板中心刻线对齐第1条亮条纹中心，手轮上的读数为；当分划板中心刻线对齐第5条亮条纹中心，手轮上的读数为。完成下列填空：(1)相邻两条亮条纹间的距离；(2)根据可算出波长（填正确答案标号）；A． B． C．(3)则待测发出光的波长为（结果保留3位有效数字）。3．（2024·浙江绍兴·一模）在