2027届高考物理一轮复习解题方法课件：实验探究4.3热学、光学实验

4.3　热学、光学实验 纵览近几年全国各套物理试题,本部分命题逐步升温。试题注重基础原理、基本方法,注重对实验过程及数据处理的考查,通常在立足教材的基础上进行创新,凸显科学探究素养。本部分的四个实验方法、原理独立,下面将逐一分析。 4.3　热学、光学实验 4.3.1　测量玻璃的折射率 1.一个重要的实验步骤 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。 2.三个数据处理的方法 (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sin θ1-sin θ2图像,由n=可知其斜率为折射率。 4.3　热学、光学实验 (3)单位圆法:以入射点O为圆心,作半径为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'的长度就可以求出折射率n=。 3.两个减小误差的实验要求 (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。 4.3　热学、光学实验 典型 例题 典例1　(2023海南卷,14)用激光测玻璃砖折射率的实验中,玻璃砖与屏P平行放置,从另一侧用激光笔以一定角度照射,此时在屏上的S1处有激光点,移走玻璃砖,光点移到S2处,回答下列问题: (1)请画出激光束经玻璃折射后完整的光路图; (2)已经测出AB=l1,OA=l2,S1S2=l3,则折射率 n=　　　　　　　　(用l1、l2、l3表示);  (3)若改用宽ab更小的玻璃砖做实验,则S1、S2间的 距离会　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。  4.3　热学、光学实验 [实验探究] 要素 探究内容 问题 实验目的: 用激光测玻璃砖折射率 证据 实验原理及方案: (1)光路图如图所示   4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 解释 实验数据处理: (2)在C点,设光线入射角为θ、折射角为α,根据折射定律有nsin θ=sin α,由于射入玻璃砖的入射角是射出玻璃砖的折射角,则CB=l3。根据几何关系可知sin θ=,sin α=,联立解得n=。 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 解释 (3)若改用宽ab更小的玻璃砖做实验,则画出光路图如图所示,可看出S1、S2间的距离变小 [答案] (1)见上表 (2) (3)变小 4.3　热学、光学实验 4.3.2　用双缝干涉实验测量光的波长 1.实验装置图及实验器材 实验器材:光具座、光源、学生电源、导线、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头、刻度尺。实验装置图如图所示。 4.3　热学、光学实验 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=。 4.3　热学、光学实验 典型 例题 典例2　(2024河北卷,11改编)某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长,实验装置如图所示,其中测量头包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。 4.3　热学、光学实验 该同学调整好实验装置后,分别用红色滤光片、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条纹中心位置对应的游标尺示数,如下表所示。 单色光类别 x1/mm x6/mm 单色光1 10.60 18.64 单色光2 8.44 18.08 根据表中数据,判断单色光1为　　　(选填“红光”或“绿光”)。  4.3　热学、光学实验 [实验探究] 要素 探究内容 问题 实验目的: 通过双缝干涉实验测量单色光的波长 解释 实验数据处理: 根据Δx=λ,可得λ=,由图表代入数据可知Δx1= mm= 1.608 mm,Δx2= mm=1.928 mm,故Δx1<Δx2,则λ1<λ2,已知绿光的波长小于红光的波长,则单色光1是绿光 [答案] 绿光 4.3　热学、光学实验 4.3.3　用油膜法估测油酸分子的大小 1.原理 认为油酸薄膜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=,如图所示。 4.3　热学、光学实验 2.对“V”的测量 (1)配制一定浓度的油酸酒精溶液,其体积浓度为n; (2)用注射器吸取一些油酸酒精溶液,读出它的体积为V0; (3)把吸取出的油酸酒精溶液一滴滴地滴入烧杯中,记下液滴的总滴数N; (4)一滴油酸酒精溶液中,纯油酸的体积V=n。 3.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S=n0S0。 4.3　热学、光学实验 典型 例题 典例3　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爽身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.将画有油酸膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油酸膜的面积,根据油酸的体积和油酸膜的面积计算出油酸分子直径 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 4.3　热学、光学实验 (2)实验中,所用油酸酒精溶液每体积V1的溶液中有纯油酸体积V2,用注射器和量筒测得体积为V0的上述溶液有n滴,把一滴该溶液滴入盛水的撒有爽身粉的浅盘中,待水面稳定后,得到油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,则油膜的面积S=　　　　　;可求得油酸分子的直径为　　　　　(用V1、V2、V0、n、S表示)。  4.3　热学、光学实验 (3)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.油膜中含有大量未溶解的酒精 B.计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格 C.水面上爽身粉撒得太多,油膜没有充分展开 D.用注射器和量筒测滴下体积为V0的溶液所用滴数时多记录了几滴 4.3　热学、光学实验 [实验探究] 要素 探究内容 问题 实验目的: 用油膜法估测油酸分子的大小 证据 实验原理及方案: (1)实验过程:①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;②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爽身粉均匀地撒在水面上;③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;④将玻璃板放在浅盘上,然后将油酸膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上;⑤将画有油酸膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油酸膜的面积,根据油酸的体积和油酸膜的面积计算出油酸分子直径。实验步骤的正确顺序是DABEC 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 解释 实验数据处理: (2)根据数格子的办法,多于半格的算一格,少于半格的舍去,油膜的总格数为71格,则油膜总面积为S=71a2。由于所用油酸酒精溶液每体积V1的溶液中有纯油酸体积 解释 V2,则溶液的体积浓度为x=,用注射器和量筒测得体积为V0的上述溶液有n滴,则一滴溶液中纯油酸的体积为V=x,油酸分子直径为d=,解得d= 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 交流 实验误差分析: (3)油膜中含有大量未溶解的酒精,导致油膜面积测量值偏大,则油酸分子直径测量值偏小,故A错误;计算油膜面积时,舍去了所有不足一格的方格,导致油膜面积测量值偏小,则油酸分子直径测量值偏大,故B正确;水面上爽身粉撒得太多,油膜没有充分展开,导致油膜面积测量值偏小,则油酸分子直径测量值偏大,故C正确;用注射器和量筒测滴下体积为V0的溶液所用滴数时多记录了几滴,导致油酸体积测量值偏小,则油酸分子直径测量值偏小,故D错误 [答案] (1)DABEC　(2)71a2　　(3)BC 4.3　热学、光学实验 4.3.4　探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系 1.实验法:控制变量法,实验装置如图所示。 2.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。 4.3　热学、光学实验 3.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),如图甲所示。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观,容易得出相关的对实验研究有用的参数。 4.3　热学、光学实验 典型 例题 典例4　(2023山东卷,13)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p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV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。 甲 4.3　热学、光学实验 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.p与V成正比 B.p与成正比 乙 (2)若气体被压缩到V=10.0 mL,由图乙可读出 封闭气体压强为　　　　 Pa(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ΔV,则在计算pV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p的增大而　　　　(选填“增大”或“减小”)。  4.3　热学、光学实验 [实验探究] 要素 探究内容 问题 实验目的: 探究等温条件下气体压强与体积的关系 证据 实验原理: (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,p与成正比 解释 实验数据处理: (2)若气体被压缩到V=10.0 mL,则有 mL-1=100×10-3 mL-1,由图乙可读出封闭气体压强为p=2.04×105 Pa 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 交流 实验结果分析: (3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,根据p(V0+ΔV)-pV0=pΔV可知,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p的增大而增大 [答案] (1)B　(2)2.04×105　(3)增大 4.3　热学、光学实验 题号 选题理由 1 考查了测量玻璃砖的折射率和对折射定律的理解及应用 2 将洛埃镜实验与传统的光双缝干涉现象相结合,提升了学生的逻辑思维和创新能力 3 较为全面地考查了探究气体等温变化规律这一实验的相关知识,让学生更加了解此实验的考查内容和趋势 4 较为全面地考查了用油膜法估测油酸分子的大小这一实验的相关知识,增强了学生对该实验的理解能力 4.3　热学、光学实验 1.(2025河南模拟预测)某实验小组用激光笔照射玻璃砖,通过激光的偏移测量玻璃砖的折射率。 (1)如图甲所示,他们首先通过游标卡尺测得玻璃砖的厚度为d=5.00 cm。 4.3　热学、光学实验 (2)如图乙所示,该实验小组先将玻璃砖与光屏P平行放置,从另一侧用激光笔以一定角度照射,此时在屏上的S1处有激光点,移走玻璃砖,光点移到S2处,关于该实验下列选项正确的是 B 。 A.若仅将红色激光改为蓝色激光,则S1、S2间距变小 B.若仅换用更厚的玻璃砖,则S1、S2间距变大 C.若仅增大玻璃砖与光屏P的间距,则S1、S2间距变大 (3)该实验小组测得S1、S2间距为l=2.11 cm,在O点处的入射角为θ=45°,则折射率n= 1.4 (结果保留2位有效数字)。 4.3　热学、光学实验 【实验探究】 要素 探究内容 问题 实验目的: 测量玻璃砖的折射率 证据 实验器材使用: (1)根据游标卡尺读数,玻璃砖的厚度为d=5.00 cm。 实验原理及方案: (2)若仅将红色激光改为蓝色激光,光的频率变大,折射率变大,S1、S2间距变大,A项错误;若仅换用更厚的玻璃砖,根据光路图和几何关系,则S1、S2间距变大,B项正确;若仅增大玻璃砖与光屏P的间距,则S1、S2间距不变,C项错误 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 解释 实验数据处理: (3)设在O点的折射角为α,根据折射定律有n=,由几何关系有 tan α=,联立解得n=1.4 4.3　热学、光学实验 2.(2025福建模拟预测)1834年,爱尔兰物理学家洛埃,利用平面镜成功得到了光的干涉条纹。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的干涉条纹。蓝光波长范围450~475 nm,黄光波长范围570~585 nm,红光波长范围625~740 nm。 4.3　热学、光学实验 (1)图丁游标卡尺的读数为 0.025 cm。 (2)已知光屏上第一条亮条纹与第七条亮条纹的间距为6.6 mm,则该单色光的波长λ= 734 nm(结果保留3位有效数字),该单色光为 红 (选填“红”“黄”或“蓝”)光。 (3)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)。 4.3　热学、光学实验 【实验探究】 要素 探究内容 问题 实验目的: 探究利用平面镜得到的光干涉条纹 证据 实验器材使用: (1)游标卡尺的读数a=0 mm+5×0.05 mm=0.25 mm=0.025 cm 解释 实验结论论证: (2)设光源S关于平面镜所在直线对称的点为S',则平面镜反射的光可看作由S'处发出,S、S'可看作双缝干涉实验的两个光源,结合双缝干涉实验相邻亮条纹间距Δx=λ,双缝间距d=2a,由题知相邻亮条纹间距Δx= mm=1.1 mm,双缝与光屏距离L=749.0 mm,解得λ=734 nm,所以该单色光为红光 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 交流 实验变换方案: (3)光路图如图所示   射到光屏最上面的点到双缝中垂线距离设为x1,根据几何关系有 ,射到光屏最下面的点到双缝中垂线距离设为x2,根据几何关系有,则出现干涉条纹区域的竖直长度为Δx=x1-x2= 4.3　热学、光学实验 3.(2025天津南开二模)某学校的同学利用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律,在注射器中密封了一定质量的气体。 (1)下列实验操作正确的是 A 。 A.密封气体前,在柱塞上均匀涂抹润滑油 B.推拉柱塞时,用手握住注射器气体部分 C.实验时应快速移动柱塞 (2)该同学在不同温度下进行了两次实验,得到的p-图像如图乙所示,由图可知一定质量的气体,在温度保持不变的条件下,压强与体积成 反 (选填“正”或“反”)比。进一步分析可知两次实验的温度大小关系为T1 > (选填“<”“=”或“>”)T2。 4.3　热学、光学实验 (3)若橡胶塞内的气体不可忽略,则该同学在实验过程中移动柱塞,多次记录注射器上的体积刻度V和气压计读数p,绘出的p-图像可能为 C 。 4.3　热学、光学实验 【实验探究】 要素 探究内容 问题 实验目的: 探究气体等温变化的规律 证据 实验原理及方案: (1)密封气体前,在柱塞上均匀涂抹润滑油,可以防止气体泄漏,A项正确;因本实验的前提要求是等温变化,所以推拉柱塞时,用手握住注射器气体部分会导致注射器内气体温度变化,B项错误;实验时应尽可能缓慢移动柱塞,等到装置内气体降到室温再去测量,这样才能满足等温变化的条件,C项错误 4.3　热学、光学实验 要素 探究内容 解释 实验数据处理: (2)由图乙可知气体压强与体积成反比;由理想气体状态方程=C,可知p-图线的斜率越大,温度越高,所以T1>T2 交流 实验误差分析: (3)若橡胶塞内的气体不可忽略,设其体积为V0,由玻意耳定律得p=,当增大时,p-图像的斜率随增大而减 小,所以C项正确 4.3　热学、光学实验 4.(2025四川攀枝花三模)物体是由大量分子组成的,分子非常微小。在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,实验步骤如下: (ⅰ)将体积为a的油酸配制成体积为b的油酸酒精溶液; (ⅱ)取油酸酒精溶液用滴定管滴出体积为c的溶液,记录滴出的油酸酒精溶液的滴数n; (ⅲ)用滴定管往浅盘内的水面上滴1滴油酸酒精溶液; (ⅳ)在水面上撒爽身粉; (ⅴ)待油酸膜稳定后,拿出玻璃板盖上,描出油酸膜的边界; (ⅵ)将玻璃板放置在小方格坐标纸上,计算油酸膜的面积S; (ⅶ)计算油酸分子直径。 4.3　热学、光学实验 (1)请指出实验步骤中的一处错误:步骤(ⅲ)(ⅳ)顺序颠倒。 (2)实验中把玻璃板盖在浅盘上描出1滴油酸酒精溶液滴入水中形成的油酸膜的轮廓如图所示,图中每个正方形小方格的边长为1 cm,则油酸膜的面积是 62 cm2。 (3)根据实验步骤,油酸分子直径D可表示为 。(用题中所给字母表示) 4.3　热学、光学实验 【实验探究】 要素 探究内容 问题 实验目的: 用油膜法估测油酸分子的大小 证据 实验原理及方案: (1)步骤(ⅲ)(ⅳ)顺序错误。 (3)根据题意,一滴油酸酒精溶液中纯油酸体积V0=,油酸分子直径可表示为D= 解释 实验数据处理: (2)由题图得小格子有62个,则油酸膜的面积是S=62S0=62 cm2 4.3　热学、光学实验 $