第三講光學(xué)與熱學(xué)實(shí)驗(yàn)通覽知識明要點(diǎn)研學(xué)考點(diǎn)提能力目錄索引0102突破熱點(diǎn)聚素養(yǎng)03通覽知識明要點(diǎn)研學(xué)考點(diǎn)提能力考點(diǎn)一光學(xué)實(shí)驗(yàn)高考風(fēng)向標(biāo)考點(diǎn)考題明細(xì)考查頻度光學(xué)實(shí)驗(yàn)2024湖北卷,11;2024河北卷,11(1);2024安徽卷,11;2024廣東卷,11(3);2024上海卷,5;2024北京卷,15(1);2023廣東卷,11;2023海南卷,14;2022海南卷,14(1)地方卷:3年9考命題角度1測量玻璃的折射率

特別提醒

(1)大頭針豎直插在紙上,且間距稍大一些;(2)入射角i不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°);(3)手不能觸摸玻璃磚的光學(xué)面,更不能把玻璃磚界面當(dāng)作尺子畫界線;(4)實(shí)驗(yàn)過程中,玻璃磚與白紙的相對位置不能改變;(5)玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的,最好在5

cm以上,若寬度太小,則測量誤差較大。例1(2023海南卷)用激光測玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)中,玻璃磚與屏P平行放置,從另一側(cè)用激光筆以一定角度照射,此時在屏上的S1處有激光點(diǎn),移走玻璃磚,光點(diǎn)移到S2處,回答下列問題:(1)請畫出激光束經(jīng)玻璃磚折射后完整的光路圖;(2)已經(jīng)測出AB=l1,OA=l2,S1S2=l3,則折射率n=

(用l1、l2、l3表示);

(3)若改用寬ab更小的玻璃磚做實(shí)驗(yàn),則S1S2間的距離會

(選填“變大”“變小”或“不變”)。

變小解析

(1)完成光路圖,如圖所示。

(2)計算折射率設(shè)激光在O點(diǎn)入射角為θ、折射角為α,(3)改用寬ab更小的玻璃磚做實(shí)驗(yàn),光路圖如圖所示由光路圖可看出,S1S2間的距離變小。命題角度2用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測光的波長

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,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。例2(2024山東濟(jì)南二模)利用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測光的波長,實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。(1)已知單縫到雙縫之間的距離是100mm,雙縫到屏的距離為1.0m,雙縫之間的距離為0.30mm,干涉圖樣如圖乙所示,分劃板中心刻度線在A位置時螺旋測微器的讀數(shù)為1.234mm,在B位置時讀數(shù)如圖丙所示,為

mm,則該光的波長為

nm(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

乙丙14.538665(2)某同學(xué)觀察到圖丁所示圖像,即測量頭中的分劃板中心刻線與干涉條紋不在同一方向上,若繼續(xù)移動目鏡觀察,將會使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。在這種情況下測出干涉條紋的間距Δx,則波長的測量值

(選填“大于”“小于”或“等于”)其實(shí)際值。

丁大于(3)下列操作能夠使(2)問中的干涉條紋與分劃板中心刻線在同一方向上的是

(單選)。

A.調(diào)整目鏡使條紋清晰B.調(diào)節(jié)撥桿使單縫與雙縫平行C.旋轉(zhuǎn)測量頭使分劃板中心線與某一條紋的中心線對齊C解析

(1)B的位置為14.5

mm+3.8×0.01

mm=14.538

mm;A、B間距為x=xB-xA=13.304

mm,(2)測量頭中的分劃板中心刻線與干涉條紋不在同一方向上,實(shí)際值Δx實(shí)=Δx測cos

θ,其中θ為條紋與分劃板中心豎直刻線間的夾角,故可知測量值Δx測大于實(shí)際值Δx實(shí),(3)旋轉(zhuǎn)測量頭,分劃板的豎線隨之旋轉(zhuǎn),可使分劃板的豎線與條紋的中心線平行,故選C。拓展衍生1.(2022海南卷)在用雙縫干涉測量光的波長的實(shí)驗(yàn)中,如圖所示,則:(1)a、b分別是

。

A.單縫和雙縫 B.雙縫和單縫C.單縫和單縫 D.雙縫和雙縫(2)如果雙縫間距是d,雙縫到毛玻璃的距離是L,第一條亮紋到第六條亮紋間距是x,則光的波長是

。(用x、d、L表示)

A解析

(1)由雙縫干涉原理可知,先用濾光片得到單色光,然后用單縫得到細(xì)長的光源,最后用雙縫得到兩束相干光,故a、b分別為單縫和雙縫,故選A。2.(2024山東棗莊三模)如圖甲所示,圖中陰影部分ABC為透明材料制成的柱形光學(xué)元件的橫截面,AC是半徑為R的

圓弧,某實(shí)驗(yàn)小組為測量該光學(xué)元件的折射率,先通過作圖確定了圓弧圓心O的位置。請回答下面問題:(1)實(shí)驗(yàn)小組先在O處插一枚大頭針P1,然后在線段OB和OC之間某一位置插大頭針P2,在BC邊右側(cè)任意位置觀察,發(fā)現(xiàn)P2都無法擋住P1,原因是

,若要在BC邊右側(cè)觀察到P2擋住P1,應(yīng)將P2向

(選填“OB”或“OC”)邊方向移動。

光線發(fā)生了全反射OC(2)該小組經(jīng)過討論,重新設(shè)計了實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行了如下操作:①在O處插大頭針P1,在BC邊右側(cè)合適位置插大頭針P2,調(diào)整觀察角度,再插上大頭針P3,使P3把P1和P2都擋住;②畫出元件邊界,作出圖乙所示光路圖,以P2、P3連線與BC邊交點(diǎn)O'為圓心作圓,分別過圓與直線OO'和P2P3的交點(diǎn)作BC邊的垂線,垂足分別為N1、N2;③用刻度尺測出線段O'N1和O'N2的長度分別為d1、d2,則該元件的折射率n=

。

(3)若測得該元件的折射率n=2,在O處固定一點(diǎn)光源,只考慮首次從圓弧AC直接射向AB、BC的光線,從點(diǎn)光源射向圓弧AC的光中,有一部分不能從AB、BC面直接射出,則這部分光照射到圓弧AC上的弧長為

。

解析

(1)發(fā)現(xiàn)P2都無法擋住P1,原因是光線發(fā)生了全反射,應(yīng)減小入射角,即將P2向OC邊方向移動。如圖所示,若沿OE方向射到AB面上的光線剛好發(fā)生全反射,則∠AOF=30°,同理,若沿OG方向射入的光線恰好在BC面上發(fā)生全反射,可得∠COG=30°,因此∠FOH=30°,考點(diǎn)二熱學(xué)實(shí)驗(yàn)高考風(fēng)向標(biāo)考點(diǎn)考題明細(xì)考查頻度熱學(xué)實(shí)驗(yàn)2024上海卷,1、2;2023山東卷,13;2023江蘇卷,9;2023浙江6月選考,16-Ⅲ地方卷:3年5考命題角度1用油膜法估測油酸分子的大小

深化拓展用油膜法估測分子的大小實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)(1)理想化:認(rèn)為油酸薄膜是由單層的油酸分子緊密排列組成。(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體。(3)厚度直徑化:認(rèn)為油膜的厚度等于油酸分子的直徑。例3(2024北京海淀區(qū)模擬)利用“油膜法估測分子直徑”的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了通過對宏觀量的測量來實(shí)現(xiàn)對微觀量的間接測量的方法。(1)甲同學(xué)配制好油酸酒精溶液,并測出一滴油酸酒精溶液中所含純油酸的體積為V,之后又進(jìn)行了下列操作,其中錯誤的一項(xiàng)是

;其余正確操作的合理順序是

。

A.將一滴純油酸滴到水面上,讓它在水面上自由地擴(kuò)展為油酸膜B.將一滴油酸酒精溶液滴到水面上,讓它在水面上自由地擴(kuò)展為油酸膜C.向淺盤中倒入約2cm深的水,將痱子粉均勻地撒在水面上D.將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上計算出油酸膜的面積S。再根據(jù)d=估算出油酸分子的直徑E.將玻璃板蓋到淺盤上,用彩筆將油酸膜的輪廓畫在玻璃板上ACBED(2)乙同學(xué)在做“用油膜法估測分子的大小”實(shí)驗(yàn)時,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盤中,把玻璃板蓋在淺盤上并描出油酸膜邊緣輪廓,如圖2所示。已知玻璃板上正方形小方格的邊長為1cm,則油酸膜的面積約為

m2(保留2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2位有效數(shù)字)。

1.1×10-27.1×10-10(3)丙同學(xué)將滴入的油酸酒精溶液體積作為油酸體積進(jìn)行計算,導(dǎo)致最終測出的油酸分子直徑

(選填“偏大”或“偏小”)。

偏大(4)在用油膜法估測分子大小的實(shí)驗(yàn)中,已知純油酸的摩爾質(zhì)量為M,密度為ρ,一滴油酸酒精溶液中含純油酸的質(zhì)量為m,一滴油酸酒精溶液滴在水面上擴(kuò)散后形成的純油酸油膜最大面積為S,阿伏加德羅常數(shù)為NA。以上各量均采用國際單位制,對于油酸分子的直徑和分子數(shù)量有如下判斷:以上判斷正確的是

。A.①和③ B.①和④C.②和④ D.②和③C解析

(1)為了使油膜形成單分子油膜層,實(shí)驗(yàn)時,需要將油酸進(jìn)行稀釋,不能直接將一滴純油酸滴到水面上,讓它在水面上自由地擴(kuò)展為油酸膜,A錯誤,符合題意。實(shí)驗(yàn)時,先向淺盤中倒入約2

cm深的水,將痱子粉均勻地撒在水面上,再將一滴油酸酒精溶液滴到水面上,讓它在水面上自由地擴(kuò)展為油酸膜,隨后將玻璃板蓋到淺盤上,用彩筆將油酸膜的輪廓畫在玻璃板上,最后將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上計算出油酸膜的面積S。再根據(jù)d=估算出油酸分子的直徑。即正確操作的合理順序是CBED。(2)利用數(shù)格子的方法,油酸膜的面積約為S=112×1×10-2×1×10-2

m2=1.12×10-2

m2,(3)由于d=,若將滴入的油酸酒精溶液體積作為油酸體積進(jìn)行計算,體積偏大,則所測的油酸分子直徑d明顯偏大。命題角度2探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系

特別提醒

作p-圖像時,應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)落在直線上,不在直線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布于直線兩側(cè),偏離太大的點(diǎn)應(yīng)舍棄掉。例4(2023山東卷)利用圖甲所示實(shí)驗(yàn)裝置可探究等溫條件下氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。將帶有刻度的注射器豎直固定在鐵架臺上,注射器內(nèi)封閉一定質(zhì)量的空氣,下端通過塑料管與壓強(qiáng)傳感器相連。活塞上端固定一托盤,托盤中放入砝碼,待氣體狀態(tài)穩(wěn)定后,記錄氣體壓強(qiáng)p和體積V(等于注射器示數(shù)V0與塑料管容積ΔV之和)。逐次增加砝碼質(zhì)量,采集多組數(shù)據(jù)并作出擬合曲線如圖乙所示。甲乙回答以下問題:(1)在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),圖乙中的擬合曲線為一條過原點(diǎn)的直線,說明在等溫情況下,一定質(zhì)量的氣體

。

A.p與V成正比B.p與

成正比(2)若氣體被壓縮到V=10.0mL,由圖乙可讀出封閉氣體壓強(qiáng)為

Pa(保留3位有效數(shù)字)。

(3)某組同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時,一同學(xué)在記錄數(shù)據(jù)時漏掉了ΔV,則在計算pV乘積時,他的計算結(jié)果與同組正確記錄數(shù)據(jù)同學(xué)的計算結(jié)果之差的絕對值會隨p的增大而

(選填“增大”或“減小”)。

B2.04×105增大從題圖乙可得p=2.04×105

Pa。(3)p增大時,pΔV增大,故記錄數(shù)據(jù)時漏掉了ΔV,則在計算pV乘積時,他的計算結(jié)果與同組正確記錄數(shù)據(jù)同學(xué)的計算結(jié)果之差的絕對值會隨p的增大而增大。拓展衍生3.(2024湖北武漢二模)某同學(xué)用如圖甲所示的裝置探究氣體等溫變化的規(guī)律,空氣柱的壓強(qiáng)可以通過壓力表讀出,空氣柱的體積即空氣柱的長度與橫截面積的乘積。整個裝置安裝在固定架上,把柱塞置于注射器玻璃管的某一刻度處,將橡膠套套在玻璃管的下端,把一段空氣柱封閉在玻璃管中,實(shí)驗(yàn)中空氣柱質(zhì)量保持不變。(1)請將下列實(shí)驗(yàn)步驟補(bǔ)充完整:①讀出初始狀態(tài)下空氣柱的壓強(qiáng)p和空氣柱的長度l;②

(選填“緩慢”或“快速”)向上拉或向下壓柱塞,待壓力表示數(shù)穩(wěn)定后,讀出空氣柱的壓強(qiáng)和空氣柱的長度;

③重復(fù)步驟②,記錄多組數(shù)據(jù)。(2)某次實(shí)驗(yàn)時,壓力表的示數(shù)如圖乙所示,則空氣柱的壓強(qiáng)p=

Pa。(3)以p為縱坐標(biāo),以

為橫坐標(biāo),把采集的各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn),各點(diǎn)位于過原點(diǎn)的同一條直線上,由此得出結(jié)論:在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的情況下,壓強(qiáng)與體積成反比。

緩慢1.30×105解析

(1)為避免溫度變化,應(yīng)該把柱塞緩慢地向下壓或向上拉。(2)由圖乙可知壓強(qiáng)為1.30×105

Pa。4.(2024河南鄭州模擬)如圖所示,在“油膜法估測分子直徑”的實(shí)驗(yàn)中,我們可以通過宏觀量的測量間接計算微觀量。(1)某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中先配制一定濃度的油酸酒精溶液,接著又進(jìn)行了下列操作,操作的合理順序是

(填字母代號)。

A.將一滴油酸酒精溶液滴到水面上,在水面上自由地擴(kuò)展為形狀穩(wěn)定的油酸薄膜B.將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上并計算油酸薄膜的面積C.將玻璃板蓋到淺水盤上,用彩筆將油酸薄膜的輪廓畫在玻璃板上D.向淺盤中倒入約2cm深的水,將痱子粉均勻地撒在水面上DACB(2)實(shí)驗(yàn)中,若測量并計算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為2.5×10-11m3,測量并計算出油膜的面積為4.0×10-2m2,則油酸分子的直徑為

m(計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

(3)該同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時,水面上痱子粉撒得太多,使得油膜沒有充分展開,這種情況會導(dǎo)致分子直徑d的測量結(jié)果

(選填“大于”“小于”或“等于”)真實(shí)值。

6.3×10-10大于解析

(1)實(shí)驗(yàn)操作的合理順序是DACB。(2)一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為V0=2.5×10-11

m3,測量并計算出油膜的面積為S=4.0×10-2

m2,(3)該同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時,水面上痱子粉撒得太多,使得油膜沒有充分展開,則油酸在水面上形成的油膜面積偏小,突破熱點(diǎn)聚素養(yǎng)知識精要創(chuàng)新實(shí)驗(yàn):光學(xué)、熱學(xué)創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)歸納分析光學(xué)實(shí)驗(yàn)中“測量玻璃的折射率”的原型實(shí)驗(yàn)是通過“插針法”獲得光路圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的,在創(chuàng)新考法中可以改變獲得光路圖的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn);“用雙縫干涉測量光的波長”的實(shí)驗(yàn)是用雙縫獲得相干光源來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的,在創(chuàng)新考法中可以用反射法獲得相干光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中“用油膜法估測分子的大小”這個實(shí)驗(yàn)很難有創(chuàng)新的考法;探究“等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”的原型實(shí)驗(yàn)是注射器與壓強(qiáng)傳感器組合進(jìn)行,考查玻意耳定律,本實(shí)驗(yàn)既可以從實(shí)驗(yàn)器材上進(jìn)行創(chuàng)新,也可以從實(shí)驗(yàn)原理上進(jìn)行遷移探究“等容情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系”。考向分析從近幾年山東、浙江、江蘇等幾省的高考試題來看,高考傳統(tǒng)的“一力一電”兩個實(shí)驗(yàn)題的固化模式并不是不可改變的了,光學(xué)和熱學(xué)的實(shí)驗(yàn)題已經(jīng)多次出現(xiàn)在這些省份的高考試卷上了,加上光學(xué)和熱學(xué)的實(shí)驗(yàn)題目相對來說難度較小,比較容易得分,所以在復(fù)習(xí)備考過程要更加重視光學(xué)和熱學(xué)的實(shí)驗(yàn)。案例探究典例(2023廣東卷)某同學(xué)用激光筆和透明長方體玻璃磚測量玻璃的折射率,實(shí)驗(yàn)過程如下:(1)將玻璃磚平放在水平桌面上的白紙上,用大頭針在白紙上標(biāo)記玻璃磚的邊界。(2)①激光筆發(fā)出的激光從玻璃磚上的M點(diǎn)水平入射,到達(dá)ef面上的O點(diǎn)后反射到N點(diǎn)射出。用大頭針在白紙上標(biāo)記O點(diǎn)、M點(diǎn)和激光筆出光孔Q的位置。②移走玻璃磚。在白紙上描繪玻璃磚的邊界和激光的光路,作QM連線的延長線與ef面的邊界交于P點(diǎn),如圖(a)所示。圖(a)③用刻度尺測量PM和OM的長度d1和d2。PM的示數(shù)如圖(b)所示,d1為

cm。測得d2為3.40cm。

圖(b)(3)利用所測量的物理量,寫出玻璃磚折射率的表達(dá)式n=

。由測得的數(shù)據(jù)可得折射率n為

(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

(4)相對誤差的計算式為δ=×100%。為了減小d1、d2測量的相對誤差,實(shí)驗(yàn)中激光在M點(diǎn)入射時應(yīng)盡量使入射角

。

2.251.51稍小一些解析

(2)刻度尺的分度值為0.1

cm,需要估讀到分度值的下一位,則d1=2.25

cm。(3)根據(jù)題意標(biāo)出光線對應(yīng)的入射角和折射角,如圖所示結(jié)合幾何關(guān)系和折射定律得(4)為了減小d1、d2測量的相對誤差,則d1、d2要盡量稍大一些,故實(shí)驗(yàn)中激光在M點(diǎn)入射時應(yīng)盡量使入射角稍小一些。角度拓展1.(2024遼寧大連模擬)某實(shí)驗(yàn)小組使用圖甲所示的裝置測量某紫色激光的波長。用光具座固定激光筆和刻有雙縫的黑色紙板,雙縫間的寬度d=0.2mm,激光經(jīng)過雙縫后投射到光屏中的條紋如圖乙所示,由刻度尺讀出A、B兩亮條紋間的距離x=

mm,通過激光測距儀測量出雙縫到光屏間的距離L=2.0m,則該激光波長λ=

m。如果用紅色激光重新實(shí)驗(yàn),相鄰亮條紋間距會

(選填“變大”“變小”或“不變”)。

甲乙65.06.5×10-7變大解析

刻度尺的最小分度值為1

mm,A亮條紋中心的讀數(shù)為25.0

mm,B亮條紋中心的讀數(shù)為90.0

mm,則A、B兩亮條紋間的距離x=90.0

mm-25.0

mm=65.0

mm;紅光的波長比紫光的波長長,根據(jù)相鄰亮條紋間距公式可知相鄰亮條紋間距會變大。2.(2024山東濟(jì)南一模改編)某同學(xué)利用激光方向性和單色性好的特點(diǎn),借助“插針法”測量一圓柱玻璃對特定頻率的光的折射率。主要步驟如下:如圖甲所示,木板上固定好白紙,放好圓柱玻璃,在圓柱玻璃底面邊界描點(diǎn)。調(diào)節(jié)左側(cè)激光入射角,在激光照射到的位置豎直插針(插針足夠細(xì)),使之恰好擋住光線,確定光路,如圖乙所示。移除圓柱玻璃,確定圓柱橫截面的圓心和圓周邊界,作光路圖。(1)以下關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作的描述正確的是

。

A.為方便作圖,可用鉛筆環(huán)繞圓柱底部一周作圓周邊界B.圖乙中插針順序依次為P1、P2、P3、P4或P2、P1、P3、P4C.插針時,P2和P3離圓柱玻璃近一些測量更準(zhǔn)確D.若入射角過大,會發(fā)生全反射而觀察不到出射光線(2)如圖丙所示,以入射點(diǎn)O'為圓心,適當(dāng)長度為半徑作圓,與入射光線和折射光線分別交于M、N兩點(diǎn),過M、N兩點(diǎn)作法線OO'的垂線分別交于P、Q兩點(diǎn),測得O'P、MP、O'Q、NQ長度分別為L1、L2、L3、L4