24　第一階段　專題六　第17講　熱學(xué)　光學(xué)實驗-2025版新坐標二輪專題復(fù)習(xí)與策略物理解析版

熱學(xué)光學(xué)實驗突破點一熱學(xué)實驗1．用油膜法估測油酸分子的大小(1)實驗原理：將一定體積的油酸滴在水面上，測出單分子油膜的面積，則油膜厚度可看作油酸分子的直徑，即d＝VS(2)處理方法①理想化：認為油酸薄膜是由單層的油酸分子緊密排列組成(如圖甲所示)。②模型化：在估測油酸分子大小的數(shù)量級時，把每個油酸分子簡化為球形(如圖乙所示)。③厚度直徑化：認為油膜的厚度就是油酸分子的直徑(如圖乙所示)。2．探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強與體積的關(guān)系(1)實驗原理：對理想氣體要保持溫度不變、質(zhì)量不變，才能得到較好的實驗效果，可以用圖像處理數(shù)據(jù)。(2)探究氣體壓強與體積的關(guān)系實驗注意點①為保持氣體溫度不變，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(yīng)緩慢，以免影響密閉氣體的溫度。②在等溫過程中，氣體的p-V圖像呈現(xiàn)為雙曲線，要通過坐標變換，畫p-1V圖像，把雙曲線變?yōu)橹本€，以方便判斷p和V[典例1](探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體p、V的關(guān)系)某實驗小組利用壓敏電阻設(shè)計可測量氣體壓強的實驗電路，并驗證等溫條件下氣體壓強與體積成反比關(guān)系。該小組查閱資料得知，所用到的壓敏電阻工作面受到的壓力F與阻值RP的關(guān)系如圖甲所示，圖中壓力F在4N到9N之間時，阻值RP與壓力F滿足RP＝－3000F＋32000(Ω)，該實驗小組在此壓力范圍內(nèi)進行實驗。已知實驗室大氣壓強為p0＝1.0×105Pa，壓敏電阻工作面面積為S＝4×10-5m2，實驗過程環(huán)境溫度不變。該實驗小組把壓敏電阻(工作面向下)嵌入到活塞上，并設(shè)計了如圖乙所示的電路圖來進行實驗，主要實驗器材有：微安表(0～100μA，內(nèi)阻r＝1000Ω)；電阻箱R1(0～99999.9Ω)；電源E(電動勢為1.5V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)K、導(dǎo)線若干。(1)調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，當工作面受到壓力為4N時，電流表示數(shù)為50μA，則電阻箱接入阻值為________Ω，此時壓敏電阻工作面所處環(huán)境的壓強為________Pa；(2)打開針管的出氣口，調(diào)節(jié)活塞位置至氣體體積為100mL，然后關(guān)閉出氣口，緩慢推動針管活塞，記錄多組針管內(nèi)氣體的體積V以及與之對應(yīng)的電流I，實驗過程中，氣體體積越小，微安表的示數(shù)________(選填“越大”或“越小”)；(3)在(2)過程中，電流的倒數(shù)1I與氣體體積的倒數(shù)1V若滿足關(guān)系式________________[解析](1)根據(jù)閉合電路歐姆定律得I＝ERP+r+R1，根據(jù)題意可知F＝4N時，RP＝20kΩ，代入數(shù)據(jù)解得R1＝9000Ω，此時壓敏電阻工作面所處環(huán)境的壓強為p1＝FS＝44×10(2)由題意可知，緩慢推動針管活塞的過程中，氣體體積越小，氣體壓強越大，則壓敏電阻所受的壓力越大，由題圖甲可知壓敏電阻的阻值越小，由歐姆定律可得微安表的示數(shù)越大。(3)由題意可知，打開針管的出氣口，針管中氣體壓強為大氣壓強，由(1)中分析知此時壓敏電阻所受壓力為4N，即緩慢推動針管活塞，壓敏電阻所受壓力從4N開始增大，符合題中阻值RP與壓力F的關(guān)系，根據(jù)玻意耳定律可知pV＝p0V0，解得p＝p0V0V，整理得p＝10V(Pa)，根據(jù)壓力與壓強的關(guān)系可知F＝pS，結(jié)合題中阻值RP與壓力F的關(guān)系式和閉合電路歐姆定律可知1I＝2.8×104－0.8[答案](1)90001×105(2)越大(3)1I＝2.8×104－0.8×1V(A突破點二光學(xué)實驗1．測量玻璃的折射率(1)實驗原理：用插針法找出與入射光線AO對應(yīng)的出射光線O′B，確定出O′點，畫出折射光線OO′，然后測量出角θ1和θ2，根據(jù)n＝sinθ(2)測量玻璃的折射率實驗中數(shù)據(jù)處理的方法①計算法：由n＝sinθ1sin②圖像法：作sinθ1-sinθ2圖像，由n＝sinθ③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＝lEHlOE，sinθ2＝lE'H'lOE'，lOE＝lOE′＝R，所以用刻度尺量出2．用雙縫干涉測量光的波長(1)實驗原理：相鄰兩條亮條紋間距Δx與入射光波長λ，雙縫S1、S2的間距d及雙縫與屏的距離l滿足關(guān)系式Δx＝ldλ(2)用雙縫干涉測量光的波長實驗中數(shù)據(jù)處理的方法①調(diào)節(jié)測量頭，使分劃板的中心刻線對齊第1條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1；②轉(zhuǎn)動手輪，當分劃板的中心刻線與第n條相鄰的亮條紋中心對齊時，記下手輪上的讀數(shù)a2；③相鄰兩條亮條紋間的距離Δx＝a1特別提醒：(1)不要直接測單個條紋間距Δx，要測幾個條紋的間距，計算得出Δx平均值，這樣可以減小誤差。(2)白光的干涉觀察到的是彩色條紋，其中白色在中央，紅色在最外邊。[典例2](雙縫干涉測波長)(2024·安徽統(tǒng)考一模)某同學(xué)通過雙縫干涉實驗測量光的波長，實驗裝置如圖(a)所示。(1)一毛玻璃屏上相鄰亮條紋的間距可利用測量頭測出，如圖(b)所示。先將測量頭分劃板中心刻線與一亮條紋中心P重合，其讀數(shù)為0.822mm，然后沿同一方向轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線移過4條暗條紋，與另一亮條紋中心P′重合，相應(yīng)的讀數(shù)如圖(c)所示，該讀數(shù)為________mm。(2)已知雙縫間的距離為0.2mm，雙縫到屏的距離為1.5m，此單色光波長是________mm。(保留三位有效數(shù)字)(3)若改用波長更短的單色光重復(fù)上述實驗，條紋間距將________(選填“變大”“變小”或“不變”)。[解析](1)該讀數(shù)為20.5mm＋0.2×0.01mm＝20.502mm。(2)已知條紋PP′間還有3條亮條紋，則相鄰兩亮條紋的間距為Δx＝20.502-0.8224mm＝4.92mm，由干涉條紋的間距公式Δx＝ldλ，解得λ＝6.56×10-4(3)由干涉條紋的間距公式Δx＝ldλ可得，換波長更短的單色光重復(fù)上述實驗，條[答案](1)20.502(2)6.56×10-4(3)變小[典例3](測量玻璃磚的折射率)(2024·湖北卷)某同學(xué)利用激光測量半圓柱體玻璃磚的折射率，具體步驟如下：①平鋪白紙，用鉛筆畫兩條互相垂直的直線AA′和BB′，交點為O。將半圓柱體玻璃磚的平直邊緊貼AA′，并使其圓心位于O點，畫出玻璃磚的半圓弧輪廓線，如圖(a)所示。②將一細激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃磚，記錄折射光線與半圓弧的交點M。③拿走玻璃磚，標記CO光線與半圓弧的交點P。④分別過M、P作BB′的垂線MM′、PP′，M′、P′是垂足，并用米尺分別測量MM′、PP′的長度x和y。⑤改變?nèi)肷浣牵貜?fù)步驟②③④，得到多組x和y的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)作出yx圖像，如圖(b)所示。(1)關(guān)于該實驗，下列說法正確的是________(單選，填標號)。A．入射角越小，誤差越小B．激光的平行度好，比用插針法測量更有利于減小誤差C．選擇圓心O點作為入射點，是因為此處的折射現(xiàn)象最明顯(2)根據(jù)y-x圖像，可得玻璃磚的折射率為________(保留三位有效數(shù)字)。(3)若描畫的半圓弧輪廓線半徑略大于玻璃磚的實際半徑，則折射率的測量結(jié)果________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。[解析](1)在本實驗中，為了減小測量誤差，入射角應(yīng)適當大些，因為入射角越大，折射角也越大，則入射角和折射角的測量誤差都會減小，從而使折射率測量的誤差減小，A錯誤；與插針法測量相比，激光的平行度好，能更準確地確定入射光線和折射光線，從而更有利于減小實驗誤差，B正確；選擇圓心O點作為入射點，是因為便于計算，并不是因為此處的折射現(xiàn)象最明顯，C錯誤。(2)設(shè)入射角為α、折射角為β、半圓弧輪廓線半徑(玻璃磚半徑)為R，則由幾何關(guān)系可知sinα＝PP'R＝y(tǒng)R、sinβ＝MM'R＝xR，根據(jù)折射定律可得玻璃磚的折射率n＝sinαsinβ＝y(tǒng)x，結(jié)合題圖(b)可知(3)由(2)問分析可知折射率的表達式中沒有半圓弧輪廓線半徑R，所以輪廓線半徑的測量誤差對實驗結(jié)果沒有影響，即折射率的測量結(jié)果不變。[答案](1)B(2)1.58(1.56～1.60均可)(3)不變1．(高考新動向·教材新增實驗)“研究一定質(zhì)量氣體在體積不變的條件下，壓強變化與溫度變化的關(guān)系”的實驗裝置示意圖如圖所示。粗細均勻的彎曲玻璃管A臂插入燒瓶中，B臂與玻璃管C下部用橡膠管連接，C管開口向上，一定質(zhì)量的氣體被水銀封閉于燒瓶內(nèi)。開始時，B、C內(nèi)的水銀面等高。(1)此實驗中研究對象是________(只填序號：①燒瓶中氣體；②燒瓶和AB管中的氣體；③BC下面橡膠管中的氣體)。若氣體溫度升高，為使瓶內(nèi)氣體的體積不變，應(yīng)將C管________(選填“向上”或“向下”)移動，直至B內(nèi)的水銀面回到原位置。(2)實驗中使瓶內(nèi)氣體的體積不變，多次改變氣體溫度，用Δt表示氣體升高的攝氏溫度，用p表示燒瓶內(nèi)氣體壓強。根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出的圖線是________。ABCD(3)同學(xué)還想用此實驗裝置驗證玻意耳定律，在保證溫度不變的情況下，尋找體積和壓強滿足的關(guān)系，現(xiàn)在不知道大氣壓強的具體數(shù)值，但大氣壓強可視為不變。也無法直接測出氣體的體積和B管的內(nèi)徑，但該同學(xué)通過分析還是可以驗證玻意耳定律。保證溫度不變的方法是________。(只填序號：①保持實驗環(huán)境溫度不變；②移動C管要迅速；③測量數(shù)據(jù)要快)[解析](1)由題圖可知C管開口向上，所以BC下面軟管中的氣體的壓強等于大氣壓強與C管豎直部分液柱的壓強之和，所以實驗中是研究燒瓶和AB管中的氣體在體積不變的條件下，壓強變化與溫度變化的關(guān)系；若氣體溫度升高，瓶內(nèi)氣體的體積不變，則氣體壓強增大，所以應(yīng)將C管向上移動，直至B內(nèi)的水銀面回到原位置。(2)瓶中氣體的體積不變，設(shè)初狀態(tài)壓強為p1，溫度為T1，氣體升高的攝氏溫度與升高的熱力學(xué)溫度相等，則有ΔT＝Δt，由p1T1＝pT1+ΔT可得p＝p1＋p1T1·ΔT＝p1＋p1(3)燒瓶可與外界進行傳熱，所以要保持實驗環(huán)境溫度不變，緩慢移動C管，穩(wěn)定后再測量數(shù)據(jù)，故①正確。[答案](1)②向上(2)C(3)①2．(高考新動向·教材新增實驗)(2024·廣東統(tǒng)考一模)某同學(xué)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Oxy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y<0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：(1)測得半圓形玻璃磚直徑d的讀數(shù)如圖(a)所示，則d＝________cm；(2)步驟③中，沒有激光射至擋板上y<0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n＝________，若測得PQ線段的長度L＝2.00cm，計算可得玻璃磚的折射率為n＝________。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)[解析](1)由題圖(a)可知，玻璃磚的直徑為d＝6.4cm＋1mm10×3＝(2)光束經(jīng)玻璃磚折射后照在擋板上y<0的區(qū)域內(nèi)，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)當恰好發(fā)生全反射時，有n＝sin90°sinθ＝sin90°PQOP＝[答案](1)6.43(2)全反射(3)d2L專題限時集訓(xùn)(十七)1．(2024·福建省寧德第一中學(xué)?？家荒?在估測油酸分子大小的實驗中，具體操作如下：①取油酸1.0mL注入2500mL的容量瓶內(nèi)，然后向瓶中加入酒精，直到液面達到2500mL的刻度為止，搖動瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸酒精溶液；②用滴管吸取制得的溶液逐滴滴入量筒，記錄滴入的滴數(shù)，直到達到1.0mL為止，恰好共滴了100滴；③在邊長約40cm的淺水盤內(nèi)注入約2cm深的水，將爽身粉均勻地撒在水面上，再用滴管吸取油酸酒精溶液，輕輕地向水面滴一滴溶液，酒精揮發(fā)后，油酸在水面上盡可能地散開，形成一層油膜，膜上沒有爽身粉，可以清楚地看出油膜輪廓；④待油膜形狀穩(wěn)定后，將事先準備好的玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上繪出油膜的形狀；⑤將畫有油酸膜形狀的玻璃板放在邊長為1.0cm的方格紙上。(1)利用上述具體操作中的有關(guān)數(shù)據(jù)可知一滴油酸酒精溶液含純油酸體積為________m3，求得的油酸分子直徑為________m(此空保留一位有效數(shù)字)。(2)于老師在該實驗中最終得到的油酸分子的直徑和大多數(shù)同學(xué)的比較，數(shù)據(jù)偏大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，可能是________。A．計算油酸膜面積時，錯將所有不完整的方格作為完整的方格處理B．水面上爽身粉撒的較多，油酸膜沒有充分展開C．求每滴溶液體積時，1mL的溶液的滴數(shù)多記了10滴[解析](1)一滴油酸酒精溶液含純油酸體積為V0＝12500×1×10-6100m3＝4×10-12m3，由題圖可知油膜中大約有112個小方格，則油膜面積為S＝112×(1×10-2)2m2＝1.12×10-2m2，則油酸分子直徑為d＝V0S＝4×(2)于老師在該實驗中最終得到的油酸分子的直徑和大多數(shù)同學(xué)的比較，數(shù)據(jù)偏大，根據(jù)d＝V0S。計算油酸膜面積時，錯將所有不完整的方格作為完整的方格處理，則油膜面積測量值偏大，油酸分子的直徑測量值偏小，故A錯誤；水面上爽身粉撒的較多，油酸膜沒有充分展開，則油膜面積測量值偏小，油酸分子的直徑測量值偏大，故B正確；求每滴溶液體積時，1mL的溶液的滴數(shù)多記了10滴，則一滴油酸酒精溶液含純油酸體積測量值偏小，油酸分子的直徑測量值偏小，故C錯誤。故選[答案](1)4×10-124×10-10(2)B2．(2024·江西統(tǒng)考一模)某小組探究氣體在等溫變化時壓強隨體積變化的規(guī)律。實驗方案如下：在帶刻度的注射器內(nèi)密封一段摻入酒精蒸氣的空氣，然后將注射器與氣體壓強傳感器連接管相連接。氣體壓強p由傳感器測量，氣體體積V等于注射器讀數(shù)與連接管的容積(1cm3)之和。(1)實驗時手不要握注射器筒，且應(yīng)緩慢推動注射器活塞，其目的是____________________________________________________________________。(2)下表是小組采集的一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)真實可靠，請在圖中描出第1至9個數(shù)據(jù)點，并畫出p-1V序號123456789p/kPa99.0110.0120.9135.4154.7181.2223.3281.1330.0V/cm321.019.017.015.013.011.09.07.05.01V/cm0.0480.0530.0590.0670.0770.0910.1110.1430.200(3)由p-1V圖像中前8個數(shù)據(jù)點的分布情況可知：在等溫變化時，氣體的壓強與體積關(guān)系為________；第9個數(shù)據(jù)點顯著偏離上述規(guī)律，小組猜想是因為氣體的質(zhì)量減小了，下列哪個選項支持該猜想______A．部分酒精蒸氣進入氣體壓強傳感器連接管B．在測量第9個數(shù)據(jù)點時發(fā)現(xiàn)注射器筒壁出現(xiàn)模糊，部分酒精蒸氣液化[解析](1)實驗時手不要握注射器筒，且應(yīng)緩慢推動注射器活塞，其目的是減小傳熱和做功對氣體溫度的影響。(2)描點如圖所示。(3)由p-1V圖像中前8個數(shù)據(jù)點的分布情況可知：在等溫變化時，氣體的壓強與體積成反比；由圖可知，第9個數(shù)據(jù)點顯著偏離上述規(guī)律，可能是在測量第9個數(shù)據(jù)點時部分酒精蒸氣遇冷液化使注射器筒壁出現(xiàn)模糊。故選B[答案](1)減小傳熱和做功對氣體溫度的影響(2)見解析圖(3)成反比B3．(2024·安徽卷)某實驗小組做“測量玻璃的折射率”及拓展探究實驗。(1)為測量玻璃的折射率，按如圖甲所示進行實驗，以下表述正確的一項是______。(填正確答案標號)A．用筆在白紙上沿著玻璃磚上邊和下邊分別畫出直線a和a′B．在玻璃磚一側(cè)插上大頭針P1、P2，眼睛在另一側(cè)透過玻璃磚看兩個大頭針，使P2把P1擋住，這樣就可以確定入射光線和入射點O1。在眼睛這一側(cè)，插上大頭針P3，使它把P1、P2都擋住，再插上大頭針P4，使它把P1、P2、P3都擋住，這樣就可以確定出射光線和出射點O2C．實驗時入射角θ1應(yīng)盡量小一些，以減小實驗誤差(2)為探究介質(zhì)折射率與光的頻率的關(guān)系，分別用一束紅光和一束綠光從同一點入射到空氣與玻璃的分界面。保持相同的入射角，根據(jù)實驗結(jié)果作出光路圖，并標記紅光和綠光，如圖乙所示。此實驗初步表明：對于同一種介質(zhì)，折射率與光的頻率有關(guān)。頻率大，折射率________(選填“大”或“小”)。(3)為探究折射率與介質(zhì)材料的關(guān)系，用同一束微光分別入射玻璃磚和某透明介質(zhì)，如圖丙、丁所示。保持相同的入射角α1，測得折射角分別為α2、α3(α2<α3)，則玻璃和該介質(zhì)的折射率大小關(guān)系為n玻璃________(選填“>”或“<”)n介質(zhì)。此實驗初步表明：對于一定頻率的光，折射率與介質(zhì)材料有關(guān)。[解析](1)在白紙上畫出一條直線a作為界面，把長方體玻璃磚放在白紙上，使它的一個長邊與a對齊。用直尺或者三角板輕靠在玻璃磚的另一長邊，按住直尺或三角板不動，將玻璃磚取下，畫出直線a′代表玻璃磚的另一邊，而不能用筆在白紙上沿著玻璃磚上邊和下邊分別畫出直線a和a′，故A錯誤；在玻璃磚一側(cè)插上大頭針P1、P2，眼睛在另一側(cè)透過玻璃磚看兩個大頭針，使P2把P1擋住，這樣就可以確定入射光線和入射點O1。在眼睛這一側(cè)，插上大頭針P3，使它把P1、P2都擋住，再插上大頭針P4，使它把P1、P2、P3都擋住，這樣就可以確定出射光線和出射點O2，故B正確；實驗時入射角θ1應(yīng)盡量大一些，但也不能太大(接近90°)，以減小實驗誤差，故C錯誤。故選B。(2)由題圖乙可知，入射角相同，綠光的折射角小于紅光的折射角，根據(jù)光的折射定律n＝sinαsin(3)根據(jù)折射定律可知，玻璃的折射率為n玻璃＝sinα1sinα2，該介質(zhì)的折射率為n介質(zhì)＝sinα1sinα3，其中α2[答案](1)B(2)大(3)>4．甲、乙兩同學(xué)在做“測量玻璃的折射率”的實驗時，分別選用平行玻璃磚和半圓形玻璃磚做實驗。(1)甲同學(xué)在畫好平行玻璃磚界面兩條直線后，不慎誤將玻璃磚向上平移至圖甲中虛線位置，而其他操作均正確，則測得的折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。(2)乙同學(xué)插大頭針P1、P2確定入射光線，另一側(cè)垂直紙面插大頭針P3，OP3為折射光線，作BA、CD垂直法線于A、D兩點；則玻璃磚的折射率可表示為n＝________(用圖中線段長度表示)；若乙同學(xué)在插大頭針P3前不小心將玻璃磚以O(shè)為圓心逆時針轉(zhuǎn)過一小角度，由此測得玻璃磚的折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。[解析](1)如圖所示，可知所作的折射光線與實際的折射光線平行，所以在入射角和折射角測量準確的情況下，測得的折射率將不變。(2)