復習鞏固09 光學、熱學實驗（解析版）-2025版高三物理寒假精-品講義VIP

專題09熱學和光學實驗?？伎键c真題舉例用油膜法估測油酸分子的大小2011·全國·高考真題探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系2023·山東·高考真題測量玻璃的折射率2024·湖北·高考真題用雙縫干涉測量光的波長2024·廣東·高考真題掌握用油膜法估測油酸分子的大小的實驗內容；掌握探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系的實驗內容；掌握測量玻璃的折射率的實驗內容；掌握用雙縫干涉測量光的波長的實驗內容；TOC\o"1-2"\h\u核心考點01熱學實驗 一、用油膜法估測油酸分子的大小 3二、探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系 5核心考點02光學實驗 9一、測量玻璃的折射率 9二、用雙縫干涉測量光的波長 11核心考點01熱學實驗一、實驗：用油膜法估測油酸分子的大小1、實驗原理利用油酸酒精溶液在平靜的水面上形成單分子油膜，用D＝eq\f(V,S)計算出油膜的厚度，其中V為一滴油酸酒精溶液中所含油酸的體積，S為油膜面積，這個厚度就近似等于油酸分子的直徑，如下圖?！咀⒁狻堪?滴油酸滴在水面上，水面上會形成一層油膜，油膜是由單層油酸分子（C17H33COOH）中的烴基C17H33-組成的。盡管油酸分子有著復雜的結構和形狀，分子間也存在著間隙，但在估測其大小時，可以把它簡化為球形處理，并認為它們緊密排布。2、實驗器材量筒、注射器、淺盤、油酸酒精溶液、玻璃板、坐標紙、痱子粉或滑石粉、細彩筆、水。3、實驗操作配制油酸酒精溶液，取純油酸1mL，注入500mL的容量瓶中，然后向容量瓶內注入酒精，直到液面達到500mL刻度線為止。用注射器將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并記下量筒內增加一定體積Vn時的滴數(shù)n。根據(jù)V0＝eq\f(Vn,n)算出每滴油酸酒精溶液的體積V0。向淺盤里倒入約2cm深的水，并將痱子粉或滑石粉均勻地撒在水面上。用注射器(或滴管)將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，油酸立即在水面散開，形成一塊油膜。油膜上沒有爽身粉，可以清楚地看出它的輪廓。待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，并將油酸膜的形狀用彩筆畫在玻璃板上。將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，算出油酸薄膜的面積S(求面積時以坐標紙上邊長為1cm的正方形為單位計算輪廓內正方形的個數(shù)，不足半個的舍去，多于半個的算一個)。根據(jù)溶液的比例，算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V，并代入公式D＝eq\f(V,S)算出薄膜的厚度D，即為分子直徑。重復以上實驗步驟，多測幾次油酸薄膜的厚度，求平均值，即為油酸分子直徑的大小。4、誤差分析純油酸體積的計算引起誤差。對油膜形狀畫線時帶來誤差。數(shù)格子法本身是一種估算的方法，從而會帶來誤差。5、物理量的測量對“V”的測量①配制一定濃度的油酸酒精溶液，設其濃度為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。對“S”的測量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)出輪廓范圍內正方形的個數(shù)n0，不足半個的舍去，多于半個的算一個；④用正方形的個數(shù)乘單個正方形的面積S0(即n0S0)計算出油膜的面積S。6、誤差分析①油酸酒精溶液配制后不要長時間放置，以免濃度改變，產生較大的實驗誤差。②實驗前應注意，淺盤應清洗干凈，否則難以形成油膜。③痱子粉的用量不要太多，否則不易成功。撒完痱子粉后，淺盤中的水面應保持平衡，痱子粉應均勻浮在水面上。④向水面滴一滴油酸酒精溶液.滴油酸酒精溶液的滴管口應在離水面1cm之內，否則油膜難以形成。⑤要待油膜形狀穩(wěn)定后，再畫輪廓。⑥運用數(shù)格子法測油膜面積大于半格的算一格，小于半格的舍去這種方法所取方格的單位越小，計算的面積誤差越小。⑦本實驗只要求估算分子大小，實驗結果數(shù)量級符合要求即可。（1）在用油膜法估測分子大小的實驗中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入標注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液，然后用滴管吸取這種溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面達到量筒中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淺盤中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜穩(wěn)定后，放在帶有正方形坐標格的玻璃板下觀察油膜，如圖甲所示，坐標格（1）在用油膜法估測分子大小的實驗中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入標注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液，然后用滴管吸取這種溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面達到量筒中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淺盤中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜穩(wěn)定后，放在帶有正方形坐標格的玻璃板下觀察油膜，如圖甲所示，坐標格的每個小正方形大小為2cm×2cm，由圖甲可以估算出油膜的面積是每個小正方形大小為2cm×2cm，由圖甲可以估算出油膜的面積是cm2，由此估算出油酸分子的直徑是m（保留一位有效數(shù)字）。

（2）做“用油膜法估測分子的大小”實驗時，三個同學都有一個操作錯誤，其中導致最后所測分子直徑偏大的是。A．甲同學在配制油酸酒精溶液時，不小心把酒精倒多了一點，導致油酸酒精溶液的實際濃度比計算值小了B．乙同學用注射器和量筒測得58滴油酸酒精溶液為1mL，不小心錯記錄為57滴C．丙同學計算油膜面積時，把所有不足半格的油膜都算成了一格【答案】256AB/BA【詳解】（1）[1][2]液面上純油酸體積為由圖甲計算油膜面積，多于半格算一格，少于半格舍去。則油膜面積約為油酸分子的直徑為（2）[3]A．甲同學在配制油酸酒精溶液時，不小心把酒精倒多了一點，導致油酸酒精溶液的實際濃度比計算值小了，則一滴油酸酒精溶液的實際濃度比計算值小，計算得一滴純油酸的體積比實際值大，則算出的直徑偏大，A正確；B．乙同學用注射器和量筒測得58滴油酸酒精溶液為1mL，不小心錯記錄為57滴，則一滴油酸酒精溶液體積的計算值變大，算出的一滴油酸酒精溶液中純油酸體積變大，則算出的直徑偏大，B正確；C．丙同學計算油膜面積時，把所有不足半格的油膜都算成了一格，則計算得油膜面積變大，直徑變小，C錯誤。故選AB。二、實驗：探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系1、實驗思路在保證密閉注射器中氣體的質量和溫度不變的條件下，通過改變密閉注射器中氣體的體積，由壓力表讀出對應氣體的壓強值，進而研究在恒溫條件下氣體的壓強與體積的關系。2、實驗原理先選定一個熱力學系統(tǒng)，比如一定質量的空氣，在溫度不變的情況下，測量氣體在不同體積時的壓強，再分析氣體壓強與體積的關系。利用注射器選取一段空氣柱為研究對象，如下圖所示，注射器下端的開口有橡膠套，它和柱塞一起把一段空氣柱封閉。在實驗過程中，一方面讓空氣柱內氣體的質量不變；另一方面，讓空氣柱的體積變化不要太快，保證溫度不發(fā)生明顯的變化。3、實驗器材帶鐵夾的鐵架臺、注射器、柱塞(與壓力表密封連接)、壓力表、橡膠套，刻度尺。4、實驗裝置圖5、物理量的測量利用注射器選取一段空氣柱為研究對象，注射器下端的開口有橡膠套，它和柱塞一起把一段空氣柱封閉。把柱塞緩慢地向下壓或向上拉，讀取空氣柱的長度與壓強的幾組數(shù)據(jù)?？諝庵拈L度l可以通過刻度尺讀取，空氣柱的長度l與橫截面積S的乘積就是它的體積V?？諝庵膲簭妏可以從與注射器內空氣柱相連的壓力表讀取。6、實驗數(shù)據(jù)作p－V圖像：以壓強p為縱坐標，以體積V為橫坐標，用采集的各組數(shù)據(jù)在坐標紙上描點，繪出等溫曲線，如圖所示。觀察p－V圖像的特點看能否得出p、V的定量關系。作p－eq\f(1,V)圖像：以壓強p為縱坐標，以eq\f(1,V)為橫坐標，在坐標紙上描點。如果p－eq\f(1,V)圖像中的各點位于過原點的同一條直線上(如圖所示)，就說明壓強p跟eq\f(1,V)成正比，即壓強與體積成反比。如果不在同一條直線上，我們再嘗試其他關系。7、實驗結論一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，其壓強與體積的倒數(shù)成正比，p－V圖線是雙曲線的一支，但不同溫度下的圖線是不同的。8、注意事項實驗前檢查注射器的氣密性，為保證氣體密閉，應在活塞與注射器內壁間涂上潤滑油，注射器內外氣體的壓強差不宜過大。改變氣體體積時，要緩慢進行。實驗過程中，為保證等溫變化，實驗過程中不要用手握住注射器有氣體的部位。讀數(shù)時視線要與柱塞底面平行。作p－eq\f(1,V)圖像時，應使盡可能多的點落在直線上，不在直線上的點應均勻分布于直線兩側，偏離太大的點應舍棄掉。為保證等溫變化，實驗過程中不要用手握住注射器有氣體的部位．同時，改變體積過程應緩慢，以免影響密閉氣體的溫度．為保證氣體密閉，應在活塞與注射器內壁間涂上潤滑油，注射器內外氣體的壓強差不宜過大。實驗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，其誤差會直接影響實驗結果。在等溫過程中，氣體的壓強與體積的關系在p－V圖像中呈現(xiàn)為雙曲線。處理實驗數(shù)據(jù)時，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。這是科學研究中常用的數(shù)據(jù)處理的方法，因為一次函數(shù)反映的物理規(guī)律比較直觀，容易得出相關的對實驗研究有用的參數(shù)。某同學想探究氣體壓強與體積的關系。如圖（a）所示儀器，在一有毫米刻度的直尺上固定一根一端封閉的細直均勻玻璃管，封閉端內腔頂部對準直尺的零刻度線，管內有一段被水銀封閉的空氣柱。某同學想探究氣體壓強與體積的關系。如圖（a）所示儀器，在一有毫米刻度的直尺上固定一根一端封閉的細直均勻玻璃管，封閉端內腔頂部對準直尺的零刻度線，管內有一段被水銀封閉的空氣柱。操作步驟如下：①如圖（b）所示，用鐵支架固定木板，釘上白紙，用重錘檢查使木板豎直，并在紙上作出一條豎直方向的直線。①如圖（b）所示，用鐵支架固定木板，釘上白紙，用重錘檢查使木板豎直，并在紙上作出一條豎直方向的直線。②使直尺貼近白紙。從刻度尺上讀出空氣柱長度l；用鉛筆畫出水銀柱長度h'。③將h'投影到豎直線上，量出水銀柱投影的高度h（mm），將所得l、h的值填入事先設計好的表格中。④使玻璃管在圖示平面內按不同角度傾斜，逐次測出l、h值并填入表內。⑤分別計算封閉氣體壓強p值、體積V值（由于玻璃管是均勻的，設其截面積為S）。根據(jù)實驗完成下列填空：(1)測得本地大氣壓強值為h0（mmHg），若某次使玻璃管開口向上豎直放置，測得空氣柱長度l1。水銀柱投影h1，則此狀態(tài)下，空氣柱的壓強寫做。另一次使玻璃管開口向下豎直放置（水銀未溢出），測得空氣柱長度l2，水銀柱投影h2。若實驗成功，則h0、l1、h1、l2、h?應驗證滿足的關系為。(2)為了更直觀得出氣體的壓強p和體積V是否成反比例關系，可將p-V圖像轉化為圖像。(3)①將被封閉的空氣柱置于另一溫度環(huán)境中，重復實驗操作步驟；②換用不同氣柱重復實驗操作步驟。綜合實驗和日常學習可以總結出“氣體的體積和壓強成反比”成立的條件為：?！敬鸢浮?1)(2)或(3)質量不變，氣體不變，溫度不變或氣體物質的量不變，溫度不變【詳解】（1）玻璃管開口向上時，封閉氣體壓強為，，玻璃管開口向下時，封閉氣體壓強為，，根據(jù)玻意耳定律可得，即（2）根據(jù)玻意耳定律可知，所以或者由此可知，為了更直觀得出氣體的壓強p和體積V是否成反比例關系，可將p-V圖像轉化為或圖線。（3）若氣體的體積和壓強成反比，則所以氣體的體積和壓強成反比”成立的條件為：質量不變，氣體不變，溫度不變或氣體物質的量不變，溫度不變。核心考點2光學實驗一、實驗：測量玻璃的折射率1、實驗原理如下圖所示，當光線AO以一定的入射角θ1穿過兩面平行的玻璃磚時，通過插針法找出跟入射光線AO對應的出射光線O′B，從而求出折射光線OO′和折射角θ2，再根據(jù)n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)或n＝eq\f(PN,QN′)計算出玻璃的折射率2實驗器材木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、量角器、三角板、鉛筆。3、實驗步驟用圖釘把白紙固定在木板上；在白紙上畫一條直線aa′，并取aa′上的一點O為入射點，作過O點的法線NN′；畫出線段AO作為入射光線，并在AO上插上P1、P2兩根大頭針；在白紙上放上玻璃磚，使玻璃磚的一條長邊與直線aa′對齊，并畫出另一條長邊的對齊線bb′；眼睛在bb′的一側透過玻璃磚觀察兩個大頭針并調整視線方向，使P1的像被P2的像擋住，然后在眼睛這一側插上大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像，再插上P4，使P4擋住P3和P1、P2的像；移去玻璃磚，拔去大頭針，由大頭針P3、P4的針孔位置確定出射光線O′B及出射點O′，連接O、O′得線段OO′；用量角器測量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2；改變入射角，重復實驗，算出不同入射角時的eq\f(sinθ1,sinθ2)，并取平均值。4、數(shù)據(jù)分析計算法：由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，算出不同入射角時的n值，并取平均值。圖像法：作sinθ1－sinθ2圖像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知其斜率為折射率。單位圓法：以入射點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′的長度就可以求出n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′).5、注意事項不能把邊界線和入射光線畫的過粗。入射角不能太大，也不能太小，在20°-70°之間為宜。玻璃磚應選用寬度較大的，宜在5cm以上。用手拿玻璃磚時，手只能接觸玻璃磚的毛面或棱，不能觸摸光潔的光學面，嚴禁把玻璃磚當尺子畫玻璃磚的另一邊bb′。實驗過程中，玻璃磚在紙上的位置不可移動。大頭針應豎直地插在白紙上，且玻璃磚每兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應大一點，以減小確定光路方向時造成的誤差。實驗時入射角不宜過小，否則會使測量誤差過大，也不宜過大，否則在bb′一側將看不到P1、P2的像。某同學測量一半圓形透明玻璃磚的折射率，實驗過程如下：某同學測量一半圓形透明玻璃磚的折射率，實驗過程如下：①用游標卡尺測量玻璃磚的直徑d，確定其底面圓心位置并標記在玻璃磚上；②將玻璃磚放在位于水平桌面并畫有直角坐標系的白紙上，使其底面圓心和直徑分別與O點和x軸重合，將一長直擋板緊靠玻璃磚并垂直于x軸放置，如圖（b）所示；③用激光器發(fā)出激光從玻璃磚外壁始終指向O點水平射入，從y軸開始向右緩慢移動激光器，直至恰好沒有激光從玻璃磚射出至擋板上的區(qū)域時，在白紙上記錄激光束從玻璃磚外壁入射的位置P。④取走玻璃磚，過P點作y軸的垂線PQ，用刻度尺測量PQ的長度L。根據(jù)以上步驟，回答下列問題：根據(jù)以上步驟，回答下列問題：（1）測得半圓形玻璃磚直徑d的讀數(shù)如圖（a）所示，則cm；（2）步驟③中，沒有激光射至擋板上區(qū)域的原因是激光束在玻璃磚直徑所在界面處發(fā)生了；（3）根據(jù)以上測量的物理量，寫出計算玻璃磚折射率的表達式為，若測得PQ線段的長度，計算可得玻璃磚的折射率為。（結果保留3位有效數(shù)字）【答案】6.43全反射1.61【詳解】（1）[1]由圖（a）可知，玻璃磚的直徑為（2）[2]光束經玻璃磚折射后照在擋板上的區(qū)域內，當入射角逐漸增大，折射光線消失的時候，就是光束在玻璃界面處發(fā)生了全反射。（3）[3]當恰好發(fā)生全反射時，有[4]代入數(shù)據(jù)可得二、實驗：用雙縫干涉測量光的波長1、實驗目的會用測量頭測量條紋間距離；掌握用公式Δx＝eq\f(l,d)λ測定波長的方法；觀察白光及單色光的雙縫干涉圖樣。2、實驗原理雙縫間距d，雙縫到屏的距離l。雙縫S1、S2的連線的中垂線與屏的交點為P0。對屏上與P0距離為x的一點P，兩縫與P的距離PS1＝r1，PS2＝r2。在線段PS2上作PM＝PS1，則S2M＝r2－r1，因d?l，三角形S1S2M可看作直角三角形。則r2－r1＝dsinθ(令∠S2S1M＝θ)。另x≈ltanθ≈lsinθ則r2－r1＝deq\f(x,l)，若P處為亮紋，則deq\f(x,l)＝±kλ，(k＝0，1，2，……)，解得x＝±keq\f(l,d)λ。(k＝0，1，2……)，相鄰兩亮紋或暗紋的中心間距Δx＝eq\f(l,d)λ。3、實驗器材光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃光屏、光具座、測量頭及刻度尺等。4、實驗裝置圖5、實驗步驟觀察雙縫干涉圖樣：①將光源、遮光筒、毛玻璃光屏依次安放在光具座上；②接好光源，打開開關，使燈絲正常發(fā)光；③調節(jié)各器件的高度，使光源燈絲發(fā)出的光能沿軸線到達光屏；④安裝雙縫和單縫，中心大致位于遮光筒的軸線上，使雙縫與單縫平行，二者間距約為5～10cm，這時可觀察到白光的干涉條紋；⑤在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋。測定單色光的波長：①安裝測量頭，調節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋；②使分化板的中心刻線對齊某條亮條紋的中央，如圖所示，記下手輪上的讀數(shù)a1；轉動手輪，使分化板中心刻線移至另一亮條紋的中央，記下此時手輪上的讀數(shù)a2，得出n個亮條紋間的距離為a＝|a2－a1|，則相鄰兩亮條紋間距Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1)；③用刻度尺測量雙縫到光屏的距離l(d是已知的)；④重復測量、計算，求出波長的平均值；⑤換用不同的濾光片，重復實驗。6、實驗數(shù)據(jù)條紋間距的計算：Δx＝eq\f(|a2－a1|,n－1)；波長計算：λ＝eq\f(d,l)Δx＝eq\f(d|a1－a2|,ln－1)；計算多組數(shù)據(jù)，求λ的平均值。7、注意事項光源使用線狀長絲燈泡，調節(jié)時使之與單縫平行且靠近，儀器所用的燈泡，其燈絲冷電阻較小，如果一開始就用12V電壓，往往會由于電流過大而使電源的保險絲燒斷或過載保護因此，加在燈泡上的電壓應逐擋升高至12V,使用時不得超過12V。建議使用汽車或摩托車雙燈絲燈泡，可直接打到12V。實驗中會出現(xiàn)屏上的光很弱的情況，主要是燈絲、單縫、雙縫、測量頭與遮光筒不共軸所致；干涉條紋是否清晰與單縫和雙縫是否平行有關。安裝時，要保證光源、濾光片、單縫、雙縫和光屏的中心在同一條軸線上，并使單縫、雙縫平行且豎直。雙縫干涉儀是比較精密的實驗儀器，要輕拿輕放，不要隨便拆分遮光筒、測量頭等元件。在讀取a1至a2的整個過程中，不能撥動撥桿或轉動測量頭,否則會引起干涉條紋移動而使讀數(shù)無效。測量條紋間距時,測量頭中分劃板中心線必須與條紋的中央對齊。8、誤差分析l的測量：l用毫米刻度尺測量，如果可能，可多次測量求平均值；條紋間距Δx的測定：Δx利用測量頭測量．可利用“累積法”測n條亮紋間距，再求Δx＝eq\f(a,n－1)，并且采用多次測量求Δx平均值的方法進一步減小誤差。用如圖甲所示的雙縫干涉實驗裝置來