第18讲 热学和光学实验(复习讲义)-【优化探究】2026年高考物理二轮专题复习配套课件（江苏专版）

第18讲　热学和光学实验 [高考素养]　1.掌握四个基本实验:(1)用油膜法估测油酸分子的大小;(2)探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系;(3)测量玻璃的折射率;(4)用双缝干涉实验测光的波长。2.熟练应用油膜法、控制变量法、单位圆法、图像法。 课堂巩固　强化关键能力 考点一　测量玻璃的折射率 考点二　用双缝干涉测量光的波长 考点三　用油膜法估测油酸分子的大小 内容索引 考点四　探究气体等温变化的规律 考点一　测量玻璃的折射率 一 4 1.关键实验步骤 在玻璃砖的另一侧插上P3,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P3和P1、P2的像。 2.数据处理的三个方法 (1)计算法:由n=算出不同入射角时的n值,并取平均值。 (2)图像法:作出sin θ1-sin θ2图像,由n=可知其斜率为折射率。 (3)单位圆法:以入射点O为圆心,作出半径为R的圆,如图所示,则sin θ1= ,sin θ2=,OE=OE'=R,所以用刻度尺量出EH、E'H'的长度就可以求出n==。 3.减小误差的三个实验要求 (1)实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,同侧两针之间的距离要稍大些。 (2)入射角应适当大些,以减小测量角度的误差。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,折射光较弱,当θ1太小时,入射角、折射角测量的相对误差较大。 (3)在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。 [例1]　某实验小组用插针法测量玻璃的折射率。 (1)在白纸上放好玻璃砖,aa'和bb'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,用“+”表示大头针的位置,然后在另一侧透过玻璃砖观察,再插上一枚大头针P3,使其挡住P1与P2的像。当再插上一枚大头针P4时,应该　　　　　　　　　　　　　(写出一项注意事项且符合实验操作要求即可)。  使P4挡住P3和P1、P2的像 [解析]　当再插上一枚大头针P4时,应使P4挡住P3和P1、P2的像。 (2)如图甲,插完大头针后,取下玻璃砖,用铅笔分别连接P1、P2和P3、P4,与aa'和bb'分别交于O1和O2,连接O1、O2,用直尺测量O1O2的长度,记为l。然后以O1点为起始端在P1P2上量取长度为l的线段,由这个线段的另一个端点向法线O1O作垂线,测得该垂线段长度为x1,再测得O、O2的距离为x2,则玻璃砖的折射率n=　　　　(用题目中测得的物理量表示)。  [解析]　由题可知,入射角的正弦值sin θ1=,折射角的正弦值sin θ2=, 则玻璃砖的折射率n==。 (3)某同学在画完边界aa'时,不小心将玻璃砖向上平移了一小段距离,然后画出下边界bb',导致两边界间距略小于玻璃砖宽度,如图乙所示。其他实验操作步骤均无误,则他测得的折射率与真实值相比　　　　(选填“偏大”“偏小”“不变”或“无法确定”)。  偏大 [解析]　如图所示,由几何知识可得,测出的折射角小于正确操作时的折射角,根据折射定律可知,测得的折射率将偏大。 (4)以下实验操作符合实验操作规范或者能减小测量误差的是　　　　。  A.P1P2与法线O1O的夹角应适当大一些 B.玻璃砖的厚度可适当小一些 C.在画aa'和bb'时或者连接P1、P2和P3、P4时,可以用玻璃砖替代直尺画线 D.要避免用水笔画线或者用手直接触摸玻璃砖光洁的光学面 AD [解析]　P1P2与法线O1O的夹角应适当大一些,可以减小测量误差,故A正确; 玻璃砖的厚度适当大一些,可以减小测量误差,故B错误; 不可以用玻璃砖替代直尺画线,故C错误; 要避免用水笔画线或者用手直接触摸玻璃砖光洁的光学面,故D正确。 [例2]　有一透明球形摆件如图甲所示,为了弄清该球形摆件的材质,某学习小组设计了一个实验来测定其折射率。 步骤如下: ①用游标卡尺测出该球形摆件的直径,如图乙所示; ②用激光笔射出沿水平方向的激光束M,使其照在球体上,调整入射位置,直到光束进出球体不发生偏折; ③用另一同种激光笔射出沿水平方向的激光束N,使其照在球体上,调整入射位置,让该光束经球体上Q点折射进入球体,并恰好能与激光束M都从球面上同一点P射出; ④利用投影法测出入射点Q和出射点P之间的距离L,光路图如图丙所示。 请回答以下问题: (1)由图乙可知,该球形摆件的直径D=　　　　cm。  [解析]　由题图乙可知,该球形摆件的直径D=52 mm+0×0.1 mm= 52.0 mm=5.20 cm。 5.20 (2)球形摆件对该激光的折射率n=　　　　(用D和L表示)。  [解析]　设入射角为α,折射角为β,如图所示, 则有sin α==,sin β=, 根据光的折射定律可得n===。 (3)继续调整激光束N的入射位置,　　　　　(选填“能”或“不能”)看到激光在球体内发生全反射。  [解析]　调整入射光束的入射位置,光线射出球体时的入射角始终等于射入球体时的折射角,而光线射入球体时的入射角小于90°,所以光线射出球体时的折射角必然小于90°,所以不能发生全反射。 不能 二 考点二　用双缝干涉测量光的波长 17 1.实验装置图 (如图) 2.原理 Δx=λ,因此,只要测出Δx、d、l即可测出波长λ。 3.Δx的测量 调节测量头,使分划板中心刻线对齐第1条亮条纹的中心,记下手轮上的读数a1,转动手轮,当分划板中心刻线与第n条相邻的亮条纹中心对齐时,记下手轮上的读数a2,则相邻两条亮条纹间的距离Δx=。 4.误差分析 (1)双缝到屏的距离l的测量存在误差。 (2)测条纹间距Δx带来的误差:干涉条纹没有调节到最清晰的程度;误认为Δx为亮(暗)条纹间的宽度;分划板刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于条纹中心;测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的亮条纹数未数清。 [例3]　如图甲所示,在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中,双缝的间距为d,双缝到光屏的距离为L。 (1)实验得到明暗相间的条纹,转动手轮,使分划板的中心刻度线对准第1条亮条纹的中心时,手轮上的示数如图乙所示,则此示数x1=　　 　　mm;分划板的中心刻度线对准第6条亮条纹的中心时,手轮上的示数为x2。计算波长的表达式为λ=　　 　　(用题目中所给符号表示)。  [解析]　对准第1条亮条纹的中心时示数x1=9.5 mm+31.2×0.01 mm= 9.812 mm。 由于Δx=λ=,则波长的表达式为λ=。 9.812(±0.001均可) (2)某同学观察到如图丙所示图像,应调节图中的　　　　(选填“单缝”或“测量头”);若没有调节,会导致波长的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)其实际值。  [解析]　条纹倾斜,与刻线没有平行,则应调节图中的测量头。若没有调节,则导致条纹间距Δx偏大,进而导致波长的测量值大于其实际值。 测量头 大于 [例4]　1834年,爱尔兰物理学家洛埃利用平面镜成功得到了杨氏干涉的结果。洛埃镜实验的基本装置如图甲所示,S为单色光源,M为平面镜,S光源直接发出的光和经过平面镜M反射的光形成一对相干光。光源S到光屏的垂直距离L和到平面镜的垂直距离a可分别由图丙和图丁读出,光的波长为λ,在光屏上形成如图乙所示干涉条纹。黄光的波长范围为570~600 nm。 (1)图丙的测量工具名称是　 　　,游标卡尺的读数为　 　cm。  [解析]　题图丙的测量工具名称是毫米刻度尺,游标卡尺的读数为a= 0 mm+5×0.05 mm=0.25 mm=0.025 cm。 毫米刻度尺 0.025 (2)已知光屏上第1条亮条纹到第7条亮条纹之间间距为6.6 mm,则该单色光的波长λ=　 　nm(结果保留三位有效数字),该单色光为　 　(选填“红”“黄”或“蓝”)光。  [解析]　根据公式Δx=λ,d=2a,联立解得Δx=λ,其中Δx= mm= 1.1 mm,L=749.0 mm,解得λ=≈734 nm,该单色光波长大于黄光波长,为红光。 734 红 (3)某同学做实验时,平面镜意外倾斜了某微小角度θ,如图戊所示。若沿AO向左略微平移平面镜,干涉条纹间距将　　　　。  [解析]　画出光路图如图所示,沿OA向左略微平移平面镜,即图中从②位置→①位置,由图可看出双缝的间距即S与像的间距减小,则干涉条纹间距变大。 变大 (4)若光源在水平面上的投影离平面镜左端距离为b,平面镜宽为c,则光屏上出现干涉条纹区域的竖直长度为　　　　(用L、a、b和c表示)。  [解析]　画出光路图如图所示。 根据几何关系,打到最上面的点到P点距离设为x1,则=, 打到最下面的点到P点距离设为x2, 则=, 出现干涉条纹区域的竖直长度为 Δx=x1-x2=。 三 考点三　用油膜法估测油酸分子的大小 28 1.原理 认为油酸薄膜是由单层的油酸分子紧密排列组成,油膜的厚度就是油酸分子的直径,d=,如图。 2.对“V”的测量 (1)取体积为V0的油酸,稀释,加酒精到V,体积百分比浓度为。 (2)用滴定管测得1毫升稀释液共N滴,则1滴油酸酒精溶液中,纯油酸的体积为。 3.对“S”的测量 (1)数出轮廓范围内正方形的个数n0,不足半格的舍去,多于半格的算一格。 (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)。 [例5]　做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验。 (1)下列实验步骤的正确顺序是　　　　　　(填写实验步骤前的字母)。  A.往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水,待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上 B.用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形状稳定 C.将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油膜的面积,根据油酸的体积和油膜的面积计算出油酸分子直径的大小 D.用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内每增加一定体积时的滴数,由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积,再根据油酸酒精溶液的浓度计算出油酸的体积 E.将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上 DABEC [解析]　“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤为:配制油酸酒精溶液→测定一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积→准备浅水盘→形成油膜→描绘油膜边缘→测量油膜面积→计算分子直径。故操作先后顺序排列为DABEC。 (2)该实验体现了理想化模型的思想,实验中我们的理想假设有　 　。  A.把油酸分子视为球形 B.油酸在水面上充分散开形成单分子油膜 C.油酸分子是紧挨着的没有空隙 D.油酸不溶于水 ABC [解析]　把油酸分子看成球形为理想假设,故A正确;让油膜尽可能散开,形成单分子层为理想假设,故B正确;油酸分子是紧挨着的没有空隙,不考虑分子间空隙为理想假设,故C正确;油酸本身不溶于水,不是理想假设,故D错误。 (3)实验中,体积为V1的所用油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V2,用注射器和量筒测得n滴上述溶液的体积为V0,把一滴该溶液滴入盛水的撒有痱子粉的浅盘中,待水面稳定后,得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示,图中每个小正方形的边长为a,则油酸薄膜 的面积S=　　　　;可求得油酸分子的直径为 　　　　(用V1、V2、V0、n和S表示)。  [解析]　将大于二分之一的格子视为一个格,舍掉小于二分之一的格子,则油酸薄膜的面积S=71a2;一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积V=·,可求得油酸分子的直径为d==。 71a2 (4)某同学实验中最终得到的油酸分子直径数据偏大,可能是因为　 。  A.计算油膜的面积时,舍去了所有不足一格的方格 B.水面上痱子粉撒得太多,油膜没有充分展开 C.用注射器和量筒测V0体积溶液滴数时多记录了几滴 D.油酸酒精溶液浓度计算值低于实际值 [解析]　某同学实验中最终得到的油酸分子直径数据偏大,根据d=知:计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格,则S偏小,则测得的d偏大,选项A正确;水面上痱子粉撒得太多,油膜没有充分展开,则S偏小,则测得的d偏大,选项B正确;用注射器和量筒测V0体积溶液滴数时多记录了几滴,则V偏小,则测得的d偏小,选项C错误;油酸酒精溶液浓度计算值低于实际值,则V偏小,则测得的d偏小,选项D错误。 AB 四 考点四　探究气体等温变化的规律 36 1.实验装置如图 2.探究:一定质量的某种气体,在温度不变的情况下, 压强与体积成反比,pV=C。 3.注意事项: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,应在柱塞与注 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.数据处理:在等温过程中,气体的压强与体积的关系在p-V图像中呈现为双曲线(其中一支),如图甲。处理实验数据时,要通过变换,即画p-图像,把双曲线(其中一支)变为直线,说明p和V成反比,如图乙。 [例6]　(2025·河北卷)自动洗衣机水位检测的精度会影响洗净比和能效等级。某款洗衣机水位检测结构如图1所示。洗衣桶内水位升高时,集气室内气体压强增大,铁芯进入电感线圈的长度增加,从而改变线圈的自感系数。洗衣机智能电路通过测定LC振荡电路的频率来确定水位高度。 某兴趣小组在恒温环境中对此装置进行实验研究。 (1)研究集气室内气体压强与体积的关系 ①洗衣桶内水位H一定时,其内径D的大小　　　　(选填“会”或“不会”)影响集气室内气体压强的大小。  [解析]　集气室内气体的压强等于桶内水位高度H和集气室进水高度的高度差产生的压强和大气压强之和,根据p=ρgh可知其内径D的大小不会影响集气室内气体压强的大小。 不会 ②测量集气室高度h0、集气室内径d。然后缓慢增加桶内水量,记录桶内水位高度H和集气室进水高度h,同时使用气压传感器测量集气室内气体压强p。H和h数据如下表所示。 [解析]　由于实验中使用同一把刻度尺进行测量,分度值相同,根据数据分析,桶内水位高度H明显大于集气室内进水高度h,所以测量桶内水位高度H产生的相对误差较小。 H/cm 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 h/cm 0.33 0.40 0.42 0.52 0.61 0.70 0.78 0.87 实验中使用同一把刻度尺对H和h进行测量,根据数据判断,测量　　(选填“H”或“h”)产生的相对误差较小。  H ③利用数据处理软件拟合集气室内气体体积V与的关系曲线,如图2所示。图中拟合直线的延长线明显不过原点,经检查实验仪器完好,实验装置密封良好,操作过程规范,数据记录准确,则该延长线不过原点的主要原因是 　 。  [解析]　该延长线不过原点的主要原因是气压传感器与集气室相连的细管中的气体被忽略不计,导致集气室内气体体积V相比于实际气体体积偏小。 见解析 (2)研究洗衣桶水位高度与振荡电路频率的关系图是桶内水位在两个不同高度时示波器显示的u-t图像,u的频率即为LC振荡电路的频率。LC振荡电路的频率f与线圈自感系数L、电容C的关系是f=,则图　　　　(选填“甲”或“乙”)对应的水位较高。  [解析]　桶内水位高度H越大,集气室内气体压强越大,铁芯进入电感线圈的长度越大,电感线圈的自感系数越大,根据T=2π可知LC振荡电路的周期越大,所以图乙对应的水位较高。 乙 [例7]　(2025·江苏南京三模)利用如图甲装置做“探究气体等温变化的规律”实验。已知当时大气压强为1.0×105 Pa。主要实验步骤如下: ①将压力表的指针校准到0 Pa; ②在柱塞上均匀涂抹润滑油,然后将柱塞移至注射 器适当刻度处; ③将橡胶套套在注射器下端的开口处,它和柱塞 一起把一段空气柱封闭; ④缓慢推动柱塞,记录多组注射器内气体的体积V 及相应的压力表示数p。 (1)请指出以上哪些步骤中存在不妥之处:　　　 　(填写序号)。  [解析]　压力表开始显示的压强应为大气压强,所以第①步应将压力表的指针校准到1.0×105 Pa。 ① (2)甲同学按正确步骤进行了实验,下表为记录的部分实验数据,其中有一次记录的实验数据错误,错误的是　　　　　(填对应的实验序号)。  [解析]　若实验数据无误,则每组数据的pL乘积应该近似相等,由表中数据可知,前3组数据pL乘积约为3.5×105 cmPa,但第4组数据pL乘积约为4.3×105 cmPa,由此可知第4组数据有误。 实验序号 1 2 3 4 封闭空气柱长度L/cm 3.50 3.00 2.80 2.50 封闭空气柱压强p/(105 Pa) 1.01 1.17 1.26 1.70 4 (3)该同学重新按正确步骤进行实验,根据实验所采集数据绘制了p-图像,如图乙所示,出现这种情况的可能原因是_______________________ __________________(写出一种原因即可)。  [解析]　根据=C(C与气体的质量有关)可知p=CT,则p-图像末端斜率减小的原因可能是气体质量减小,即有漏气现象,也可能是环境温度降低。 实验过程中有漏气现象或者环境温度降低 五 课堂巩固 强化关键能力 1.(2025·浙江湖州三模)用插针法测梯形玻璃砖的折射率。 (1)在画玻璃砖边界时,请指出图1中操作不当之处:   　。  解析:不能在白纸上用铅笔紧靠玻璃砖画出玻璃砖界面,这样会污染和磨损玻璃砖。 不能直接沿玻璃砖画边界 (2)已画好玻璃砖边界MN、PQ,插上大头针P1、P2,使 P1P2连线与PQ边界垂直。要保证能测出玻璃的折射 率,P1P2入射光应从图2中玻璃砖　 (选填“ae”“ef” 或“fd”)区域射入。已知玻璃的折射率介于1.3~1.5。  解析:玻璃的折射率介于1.3~1.5,则临界角的正弦值范围为≤sin C≤。 若从ae段射入,由几何关系可知,光线在ab边上的入射角为60°,大于临界角,会发生全反射,不能测出玻璃的折射率;若从ef段射入,光线将从bc边垂直射出,不能测出玻璃的折射率;若从fd段射入,由几何关系可知,光线在cd边上的入射角为30°,小于临界角,能够从cd边折射出光线,可以测出玻璃的折射率。综上可知,P1P2入射光应从图2中玻璃砖fd区域射入。 fd (3)接(2)问,插大头针P3、P4操作正确,测得P3、P4的连线与MN的夹角为75°,如图3所示,则玻璃的折射率n=　　　　。  解析:补全光路图,如图所示。由几何关系可得r=30°,i=45°,由折射定律可得,玻璃的折射率n==。 2.(2025·山西晋城二模)某同学用注射器和压强传感器探究在温度不变时,一定质量气体的压强和体积的关系。装置如图甲所示。 (1)关于实验要点,下列说法正确的是　　　　。  A.活塞上要涂润滑油,以减小摩擦对压强测量的影响 B.推拉活塞时,应用手握住整个注射器,使其不要晃动 C.推拉活塞的时间越短越好 D.每次推拉活塞待稳定后,再记录压强值 D 解析:活塞上要涂润滑油,是为了防止漏气,气体压强由压强传感器测量,活塞与筒壁的摩擦对压强无影响,故A错误;推拉活塞时,不能用手握住整个注射器,要缓慢推拉活塞,以防止气体温度发生改变,故B、C错误;每次推拉活塞待稳定后,再记录压强值,故D正确。 (2)环境温度不变,该同学按正确操作先后做了两次实验,得到的两次p-图像如图乙所示,两次图像斜率不同的原因是　 。  解析:由于温度不变,由p=nRT可知,图像的斜率不同是因为气体的质量不同。 气体质量不同 (3)另一同学也用该装置做实验,根据实验测得多组p和V,作出的p-图像如图丙所示,图像向下弯曲的可能原因有　　　　。  A.实验过程中有进气现象 B.实验过程中有漏气现象 C.实验过程中气体温度降低 D.实验过程中气体温度升高 解析:由p=nRT可知,图像向下弯曲斜率变小,则可能是温度降低,也可能是发生了漏气现象,故选B、C。 BC $