高考二輪專題復(fù)習(xí)：專題20　熱學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)（原卷版）

學(xué)而優(yōu)教有方專題20熱學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)【命題規(guī)律】命題角度（1）用油膜法估測(cè)油酸分子的大?。?）探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系．（3）測(cè)量玻璃的折射率．（4）用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)光的波長(zhǎng)．【知識(shí)薈萃】★考向一、用油膜法估測(cè)油酸分子的大小1．原理：認(rèn)為油酸薄膜是由單層的油酸分子緊密排列組成，在估測(cè)油酸分子大小的數(shù)量級(jí)時(shí)，把每個(gè)油酸分子簡(jiǎn)化為球體，認(rèn)為油膜的厚度就是油酸分子的直徑d＝eq\f(V,S)，如圖.2．對(duì)“V”的測(cè)量（1）配制一定濃度的油酸酒精溶液，設(shè)其濃度為n；（2）用注射器吸取一段油酸酒精溶液，讀出它的體積為V0；（3）再把它一滴滴地滴入燒杯中，記下液滴的總滴數(shù)N；（4）則一滴油酸酒精溶液中，純油酸的體積V＝eq\f(V0,N)n.3．對(duì)“S”的測(cè)量（1）淺盤里盛水，把適量的爽身粉均勻撒在水面上；（2）用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液，待油膜形狀穩(wěn)定后，將帶方格的玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描下薄膜的形狀；（3）數(shù)出輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù)n0，不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè)；（4）用正方形的個(gè)數(shù)乘單個(gè)正方形的面積S0（即n0S0）計(jì)算出油膜的面積S.4．注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查淺盤是否干凈，如果有油漬將影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果．（2）由于油酸膜要經(jīng)過先擴(kuò)大后收縮的過程，因此畫輪廓時(shí)要待油酸膜穩(wěn)定后再畫，畫時(shí)視線要與玻璃板垂直．（3）分子大小的數(shù)量級(jí)為10－10m，若不是則要重做實(shí)驗(yàn)．★考向二、探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)中常用的控制變量法，探究在氣體質(zhì)量和溫度不變的情況下（即等溫過程），氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，如圖所示．（1）為保證等溫變化，實(shí)驗(yàn)過程中不要用手握住注射器有氣體的部位．同時(shí)，改變體積過程應(yīng)緩慢，以免影響密閉氣體的溫度．為保證氣體密閉，應(yīng)在活塞與注射器內(nèi)壁間涂上潤(rùn)滑油，注射器內(nèi)外氣體的壓強(qiáng)差不宜過大．（2）實(shí)驗(yàn)中所用的壓力表精度較高，而氣柱體積是直接在注射器上讀出的，其誤差會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果．（3）在等溫過程中，氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系在p－V圖像中呈現(xiàn)為雙曲線，如圖甲．處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，要通過變換，即畫p－eq\f(1,V)圖像，把雙曲線變?yōu)橹本€，說明p和V成反比，如圖乙．這是科學(xué)研究中常用的數(shù)據(jù)處理的方法，因?yàn)橐淮魏瘮?shù)反映的物理規(guī)律比較直觀，容易得出相關(guān)的對(duì)實(shí)驗(yàn)研究有用的參數(shù)．★考向三、測(cè)量玻璃的折射率數(shù)據(jù)處理方法1．計(jì)算法：由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，算出不同入射角時(shí)的n值，并取平均值．2．圖像法：作sinθ1－sinθ2圖像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知其斜率為折射率．3．單位圓法：以入射點(diǎn)O為圓心，作半徑為R的圓，如圖所示，則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′的長(zhǎng)度就可以求出n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′).★考向四、用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)光的波長(zhǎng)1．實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)器材（如圖）雙縫干涉儀、光具座、光源、學(xué)生電源、導(dǎo)線、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭、刻度尺．2．?dāng)?shù)據(jù)處理的方法（1）調(diào)節(jié)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線對(duì)齊第1條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1；（2）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，當(dāng)分劃板中心刻線與第n條相鄰的亮條紋中心對(duì)齊時(shí)，記下手輪上的讀數(shù)a2；（3）相鄰兩條亮條紋間的距離Δx＝eq\f(|a1－a2|,n－1)，則由λ＝eq\f(d,l)Δx＝eq\f(d|a1－a2|,ln－1)得波長(zhǎng)．3．注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)調(diào)整光源、單縫、雙縫和毛玻璃屏、測(cè)量頭共軸，單縫和雙縫安裝時(shí)應(yīng)豎直且相互平行，遮光筒的軸線要與光具座導(dǎo)軌平行．若不共軸或單縫與雙縫不平行則會(huì)引起干涉條紋亮度小，不清晰，不便于觀察和測(cè)量．（2）分劃板上的中心刻線應(yīng)與干涉條紋的亮（暗）線平行，否則會(huì)增大測(cè)量的誤差．（3）測(cè)量頭有兩種，一種相當(dāng)于螺旋測(cè)微器，一種相當(dāng)于游標(biāo)卡尺．【經(jīng)典例題】【例題1】在做“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)時(shí)，將6mL的油酸溶于酒精中制成104mL的油酸酒精溶液。用注射器取適量溶液滴入量筒，測(cè)得每滴入75滴，量筒內(nèi)的溶液增加1mL。用注射器把1滴這樣的溶液滴入表面撒有痱子粉的淺水盤中，把玻璃板蓋在淺盤上并描出油酸膜邊緣輪廓，如圖所示。已知玻璃板上正方形小方格的邊長(zhǎng)為1cm，則油酸膜的面積約為______m2（保留兩位有效數(shù)字）。由以上數(shù)據(jù)，可估算出油酸分子的直徑約為______m（保留兩位有效數(shù)字）?！纠}2】如圖甲所示，為測(cè)定一塊三棱鏡的折射率，將三棱鏡固定在一張白紙上，并確定好AB和AC界面的位置。然后在棱鏡的左側(cè)畫出一條直線，并在線上豎直插上兩枚大頭針P1和P2，再從棱鏡的右側(cè)觀察P1和P2的像。①此后正確的操作步驟是___________A．插上大頭針P3，使P3擋住P2的像B．插上大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像C．插上大頭針P4，使P4擋住P3的像D．插上大頭針P4，使P4擋住P3和P1、P2的像②正確完成上述操作后，在紙上標(biāo)出大頭針P3、P4的位置，如圖乙所示，過P1、P2做一條直線與AB邊相交于O點(diǎn)，過P3、P4做一條直線與AC變相交于H，并以入射點(diǎn)O為圓心做一個(gè)圓，與入射光線相交D，與OH連線的延長(zhǎng)線相交于G，過O點(diǎn)做法線，過D點(diǎn)做法線的垂線交于E，過G點(diǎn)做法線的垂線交于F，則所測(cè)玻璃折射率的表達(dá)式n=___________。（用代表線段長(zhǎng)度的字母表示）?！纠}3】某小組做測(cè)定玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)，所用器材有：玻璃磚，大頭針，刻度尺，圓規(guī)，筆，白紙．①下列哪些措施能夠提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確程度______．A．選用兩光學(xué)表面間距大的玻璃磚B．選用兩光學(xué)表面平行的玻璃磚C．選用粗的大頭針完成實(shí)驗(yàn)D．插在玻璃磚同側(cè)的兩枚大頭針間的距離盡量大些②該小組用同一套器材完成了四次實(shí)驗(yàn)，記錄的玻璃磚界線和四個(gè)大頭針扎下的孔洞如下圖所示，其中實(shí)驗(yàn)操作正確的是______．③該小組選取了操作正確的實(shí)驗(yàn)記錄，在白紙上畫出光線的徑跡，以入射點(diǎn)為圓心作圓，與入射光線、折射光線分別交于、點(diǎn)，再過、點(diǎn)作法線的垂線，垂足分別為、點(diǎn)，如圖所示，則玻璃的折射率______．（用圖中線段的字母表示）【例題4】用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀器按要求安裝在光具座上，光源發(fā)的光經(jīng)濾光片（裝在單縫前）成為單色光，把單縫照亮。單縫相當(dāng)于一個(gè)線光源，它又把雙縫照亮，已知雙縫間的距離為0.3mm。透鏡的作用是使射向單縫的光更集中。遮光筒的一端裝有毛玻璃屏，通過目鏡，我們可以在屏上觀察到干涉條紋。（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要通過光具座上的刻度尺測(cè)量的物理量是___________與___________之間的距離；（2）某次實(shí)驗(yàn)中將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對(duì)齊，并將該亮紋定為第1條亮紋，此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖乙所示；然后轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心對(duì)齊，此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖丙所示。圖乙的示數(shù)為___________mm，圖丙的示數(shù)為___________mm；（3）若在（1）中測(cè)得的數(shù)據(jù)是1.2m，則本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的這種光的波長(zhǎng)是___________m（保留兩位有效數(shù)字）；（4）若實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)條紋太密，可采取的改善辦法有___________（至少寫一條）。【精選習(xí)題】1．在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)儀器按要求安裝在光具座上，如圖a所示。（1）關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是__________；A．單縫及雙縫必須平行放置B．干涉條紋與雙縫垂直C．干涉條紋疏密程度與雙縫寬度有關(guān)D．若用綠色濾光片替換紅色濾光片，干涉條紋間距會(huì)變?。?）某同學(xué)在做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一次分劃板中心刻度對(duì)齊條紋中心時(shí)（圖b），游標(biāo)尺的示數(shù)如圖c所示；第二次分劃板中心刻度對(duì)齊條紋中心時(shí)（圖d），游標(biāo)尺的示數(shù)如圖e所示。已知雙縫間距為，雙縫到屏的距離為，則圖c游標(biāo)尺的示數(shù)為________，兩個(gè)相鄰明紋（或暗紋）間的距離為________。實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量多條干涉條紋寬度的目的是__________。所測(cè)單色光波長(zhǎng)為_______。2．（1）用“插針法”測(cè)定玻璃的折射率，如圖丙所示，玻璃磚4個(gè)光學(xué)面A、B、C、D。其中A、C兩面相互平行，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于入射面和出射面的選擇，下列說法正確的是___A．只能選用A、C兩面B．不能選用C、D丙C．既可以選用A、C兩面，也可以選用A、B兩面（2）在完成“測(cè)定玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們對(duì)“插針法”的適用范圍進(jìn)行了討論，玻璃磚的形狀如圖丁所示，下列說法正確的是____A．“插針法”只能用于測(cè)梯形玻璃磚的折射率B．“插針法”只能用于測(cè)梯形玻璃磚和三角形玻璃磚的折射率C．測(cè)梯形玻璃磚、三角形玻璃磚和半圓形玻璃磚的折射率均可用“插針法”3．某同學(xué)在測(cè)定一厚度均勻的圓形玻璃磚的折射率時(shí)，先在白紙上畫一與圓形玻璃同半徑的圓，圓心為O，將圓形玻璃平放在白紙上，使其邊界與所畫的圓重合，在玻璃一側(cè)插兩枚大頭針P1和P2，在另一側(cè)再先后插兩枚大頭針P3、P4，使從另一側(cè)觀察時(shí)，大頭針P3、P4和P1、P2的像恰在一直線上，移去圓形玻璃和大頭針后，得到如圖，根據(jù)如圖可測(cè)出玻璃的折射率。（1）結(jié)合作圖寫出此后的實(shí)驗(yàn)步驟；（2）根據(jù)你圖中的標(biāo)注，寫出計(jì)算玻璃折射率的公式。4．現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件，要把它們放在如圖所示的光具座上組裝成雙縫干涉裝置，用以測(cè)量紅光的波長(zhǎng)。（1）將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光學(xué)元件，由左至右，表示各光學(xué)元件的字母及排列順序應(yīng)為C，E，______，A；（2）將測(cè)量頭的分劃板中心刻線與某條亮條紋中心對(duì)齊，將該亮條紋定為第1條亮條紋，此時(shí)手輪上的示數(shù)如圖甲所示。然后同方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線與第6條亮條紋中心對(duì)齊，記下此時(shí)圖乙中手輪上的示數(shù)______mm，求得相鄰亮條紋的間距Δx；（3）已知雙縫間距d為2.0×10-4m，測(cè)得雙縫到屏的距離L為0.700m，由計(jì)算式=______，求得所測(cè)紅光波長(zhǎng)為______mm（保留2位有效數(shù)字）。5．利用“油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了構(gòu)建分子模型的物理思想，也體現(xiàn)了通過對(duì)宏觀量的測(cè)量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量間接測(cè)量的方法．該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要步驟如下：A．用注射器吸入一定體積事先配置好的油酸酒精溶液，再均勻地滴出，記下滴出的滴數(shù)，算出一滴油酸酒精溶液的體積V0B．用注射器將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油滴散開、油膜形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆將薄膜形狀描畫在玻璃板上C．用淺盤裝入約2cm深的水，然后把滑石粉均勻地撒在水面上D．將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上，用數(shù)學(xué)方法估算出油膜的面積SE．根據(jù)油酸酒精溶液的濃度和一滴油酸酒精溶液的體積V0，算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積VF．利用測(cè)定數(shù)據(jù)求出薄膜厚度d，即為油酸分子的大小（1）上述實(shí)驗(yàn)步驟中B、C、D的順序不合理，請(qǐng)重新對(duì)這三個(gè)步驟排序：____；（2）利用實(shí)驗(yàn)步驟中測(cè)出的數(shù)據(jù)，可得油酸分子直徑d=_______．6．在“用單分子油膜估測(cè)分子直徑”的實(shí)驗(yàn)中，需將純油酸稀釋成一定濃度的油酸酒精溶液，稀釋的目的是使油酸在淺盤的水面上形成______。若n滴油酸酒精溶液的體積為V，一滴溶液在水面上散開形成的油膜面積為S，溶液的濃度為η，則可估算出該分子的直徑d=______。7．某同學(xué)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量某單色光的波長(zhǎng)。（1）實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，將光源放在光具座最左端，由左至右依次放置其它光學(xué)元件，①、②兩處放置的元件分別為：________、______（選填“雙縫”或“單縫”）；（2）接通電源使光源正常發(fā)光，調(diào)整光路，使得從目鏡中可以觀察到干涉條紋，若雙縫的間距為d，屏與雙縫間的距離為，測(cè)得第1條亮條紋到第7條亮條紋之間的距離為，則單色光的波長(zhǎng)_______。8．某同學(xué)做“用油膜法估測(cè)分子的大小”的實(shí)驗(yàn)．已知每2500mL油酸酒精溶液中含有純油酸1mL，用注射器測(cè)得每100滴這樣的溶液為1mL，把一滴這樣的溶液滴入撒有痱子粉的盛水淺盤里，把玻璃板蓋在淺盤上并描畫出油酸膜輪廓，如圖所示．圖中正方形小方格的邊長(zhǎng)為1cm，則油酸膜的面積為________cm2，油酸分子直徑大小d＝________m（保留一位有效數(shù)字）．9．在“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)方法及步驟如下：①向體積V油＝1mL油酸中加酒精，直至總量達(dá)到V總＝1000mL；②用注射器吸?、僦杏退峋凭芤?，把它一滴一滴地滴入小量筒中，當(dāng)?shù)稳雗＝50滴時(shí)，測(cè)得其體積恰好是V0＝1mL；③先往邊長(zhǎng)30﹣40cm的淺盤里倒入2cm深的水，然后將痱子粉均勻地撒在水面上；④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸在水面上盡可能散開，將事先準(zhǔn)備好的帶方格的塑料蓋板放在淺盤上，并在塑料蓋板上描下油酸膜的形狀；⑤描出的輪廓，已知每個(gè)小正方形的邊長(zhǎng)a＝2cm，輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù)為73格，可以算出油酸膜的面積S；⑥結(jié)合以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到油酸分子的直徑D．根據(jù)以上信息，回答下列問題（本題均保留一位有效數(shù)字）（1）步驟④中要讓油膜盡可能散開的原因是_____（2）油酸膜的面積S是_____m2；（3）每滴酒精油酸溶液中含有純油酸的體積是_____mL．（4）按以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估測(cè)出油酸分子直徑為_____m．10．（1）如圖所示的四個(gè)圖反映“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)步驟，將它們按操作先后順序排列應(yīng)是___________（用符號(hào)表示）（2）在做“用油膜法估測(cè)分子的大小”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，所用的油酸酒精溶液的濃度為a，測(cè)量中，某位同學(xué)測(cè)得如下數(shù)據(jù)：測(cè)得體積為V的油酸酒精溶液共有N滴；滴入1滴這樣的溶液到準(zhǔn)備好的水面撒有痱子粉的盛水的淺盤里，散開后的油膜面積為S，則用以上題中給出的符號(hào)表示分子直徑d的大小的表達(dá)式為：___________