重难点20 光学和热学实验-2025年高考物理二轮复习讲义

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一、实验题
1．（2017·全国·一模）用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图甲所示，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经P1、P2点的入射光线．
（1）在图甲上补画出所需的光路．
（2）为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图甲中的AB分界面上画出这两个角，分别用i和r表示．
（3）为了保证在弧面CD得到出射光线，实验过程中，光线在弧面AB的入射角应适当 （选填“小一些”、“无所谓”或“大一些”）．
（4）多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图乙所示的图象，由图象可知该玻璃的折射率n= ．
【答案】 小一些 1.5
【知识点】光的折射定律、折射率
【详解】（1）连接P1、P2表示入射光线，连接P3、P4表示出射光线，连接两光线与玻璃砖的交点，即为折射光线，作出光路图如图：
（2）标出需要测量的入射角i和折射角γ，如上图．
（3）为防止光线在弧面CD发生全反射，光线在弧面AB的入射角应适当小一些．
（4）根据折射定律得．
2．（2023·湖北·模拟预测）（1）如图1反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的4个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是 （用符号表示）；
（2）在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每1000mL溶液中有0.6mL油酸。用注射器测得1 mL上述溶液有75滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，画出油膜的形状。如图2所示，坐标纸中正方形方格的边长为1cm，试求：
①油酸膜的面积是 cm2：
②每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 ，
③按以上实验数据估测出油酸分子的直径是 m。（结果保留两位有效数字）
（3）若阿伏加德罗常数为NA，油酸的摩尔质量为M。油酸的密度为。则下列说法正确的是 。
A．1kg油酸所含有分子数为 B．油酸所含分子数为
C．1个油酸分子的质量为 D．油酸分子的直径约为
【答案】 bcad
B
【知识点】油膜法测分子直径的实验步骤和数据处理、物质的量、摩尔质量、分子质量之间的关系
【详解】（1）[1]用“用油膜法估测分子的大小”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。因此操作先后顺序排列应是bcad。
（2）①[2]图中油膜中大约有个小方格，则油酸膜的面积为
②[3]每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积为
③[4]油酸分子的直径为
（3）[5]
A．1kg油酸所含有分子数为
故A错误；
B．油酸所含分子数为
故B正确；
C．1个油酸分子的质量为
故C错误；
D．设油酸分子的直径为，则有
解得
故D错误。
故选B。
3．（2025·云南·模拟预测）某同学通过双缝干涉实验测量发光二极管发出光的波长。图甲为实验装置示意图，双缝间距，双缝到毛玻璃的距离，实验中观察到的干涉条纹如图乙所示。
当分划板中心刻线对齐第1条亮条纹中心，手轮上的读数为；当分划板中心刻线对齐第5条亮条纹中心，手轮上的读数为。完成下列填空：
(1)相邻两条亮条纹间的距离 ；
(2)根据 可算出波长（填正确答案标号）；
A．B．C．
(3)则待测发出光的波长为 （结果保留3位有效数字）。
【答案】(1)0.508
(2)B
(3)626
【知识点】干涉条纹间距与波长的关系、杨氏双缝干涉实验的实验步骤和数据处理
【详解】（1）相邻两条亮条纹间的距离为
（2）根据相邻两条亮条纹间的距离与光的波长关系可得波长为
故选B。
（3）待测发出光的波长为
4．（2022·北京·模拟预测）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据处理、误差分析等。例如：
（1）实验仪器。在“练习使用多用表”实验时，某同学用多用表的电阻“”档测定值电阻阻值，表盘的示数如图所示，则该阻值 。
（2）在“多用电表的使用”实验中，某同学进行了如下操作和思考。利用多用电表测量未知电阻．用电阻挡“”测量时发现指针示数如图所示，为了得到比较准确的测量结果，下列选项中合理的步骤为 （填写选项前的字母）；
A．将选择开关旋转到电阻挡“”的位置
B．将选择开关旋转到电阻挡“”的位置
C．将两表笔分别与被测电阻的两根引线相接完成测量
D．将两表笔短接，调节欧姆调零旋钮使指针指向“”
（3）数据分析。某同学用插针法测定一个半圆形玻璃砖的折射率。正确操作后，做出的光路图如图所示。O为圆心，已知AB的长度为，AO的长度为，CD的长度为，DO的长度为，则此玻璃砖的折射率可表示为 。
（4）用如图所示的实验装置观察双缝干涉图样，用绿色滤光片时从目镜中可以看到绿色的干涉条纹。在其他条件不变的情况下，下列操作可以使条纹间距变大的是( )
A．换成红色滤光片 B．换成缝宽更大的单缝
C．换成双缝间距更大的双缝 D．换成更短的遮光筒
【答案】 180 BDC A
【知识点】干涉条纹间距与波长的关系、多用电表测电阻的方法、操作步骤、注意事项和读数、用插针法测介质折射率的注意事项和误差分析
【详解】（1）[1]欧姆表的读数为指针示数与倍率的乘积，如图欧姆表读数为
R=18.0×10Ω=180Ω
（2）[2]欧姆挡测电阻时指针偏转角度过大，是由于挡位过大，需选取小挡位，进行欧姆调零后再测阻值，故顺序为BDC；
（3）[3]如图设圆的半径为R，入射角为i，折射角为r，由几何关系可得
所以折射率为
（4）[4]A．根据双缝干涉条纹间距公式
因红光的波长比绿光长，故换成红色滤光片可以使条纹间距变大，故A正确；
B．根据双缝干涉条纹间距公式
可知条纹间距与单缝的宽窄无关，故B错误；
C．根据双缝干涉条纹间距公式
可知换成双缝间距更大的双缝，则条纹间距变小，故C错误；
D．根据双缝干涉条纹间距公式
可知换成更短的遮光筒，则条纹间距变小，故D错误。
故选A。
5．（2024·浙江宁波·一模）(1)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，下列器材需要用到的有___（多选）。
A．B．C．D．
(2)在上述实验时，每油酸酒精溶液中有纯油酸，用注射器测得80滴这样的溶液为。把1滴这样的溶液滴入盛水的浅盘里，等油膜形状稳定后，测得油膜面积约为，可估算油酸分子的直径大小约为 m。（结果保留一位有效数字）
(3)如图为“用传感器探究气体等温变化的规律”的实验装置，实验时某同学缓慢推动活塞，在使注射器内空气体积逐渐减小的过程中，由注射器壁上的刻度读出气体的体积，由压强传感器测得的压强值在计算机屏幕上实时显示，实验过程中该同学发现，环境温度逐渐升高，则实验得到的图像可能是 。
A．B．
C．D．
【答案】(1)AC
(2)
(3)B
【知识点】气体等温变化的图象、油膜法测分子直径的实验步骤和数据处理
【详解】（1）A．实验中需用注射器测油酸酒精溶液一定体积的滴数，A正确；
B．该装置测量气体的压强与体积的关系，本实验不需要，B错误；
C．实验中用坐标纸测量油膜的面积，C正确；
D．该装置演示液体的表面张力，D错误。
故选AC。
（2）1滴油酸酒精溶液中有纯油酸的体积
故油酸分子的直径为
（3）根据理想气体状态方程
整理可得
由此可知，随着环境温度的升高，图像的斜率会逐渐变大，B正确，ACD错误。
故选B。
6．某同学利用如图甲所示装置做“用双缝干涉测量光的波长”的实验。
（1）下列说法正确的是 ；
A．若仅将蓝色滤光片换成红色滤光片，则相邻干涉条纹间距变宽
B．若仅将单缝向双缝移动一小段距离，则相邻干涉条纹间距变宽
C．若仅增大双缝间的距离，则相邻干涉条纹间距变窄
D．若去掉滤光片。则干涉现象消失
（2）实验中，选用红色滤光片测量红光的波长，测得双缝间的距离mm，双缝与屏之间的距离为m，通过测量头观察第1条亮条纹的读数为3.645mm，观察第6条亮条纹的位置如图乙所示，其读数为 mm。由此求得红光的波长为 m（计算结果保留三位有效数字）。
【答案】 AC 4.945（4.942～4.947之间均给分） （之间均给分）
【知识点】杨氏双缝干涉实验的实验步骤和数据处理、杨氏双缝干涉实验的实验目的、原理、更换光的颜色判断条纹间距的变化、干涉条纹间距与波长的关系
【详解】（1）[1]A.相邻两亮条纹间距,蓝光波长小于红光波长, 将蓝色滤光片换成红色滤光片，则相邻干涉条纹间距变宽,A正确;
B.条纹间距与单缝和双缝间的距离无关, B错误;
C.相邻两亮条纹间距,双缝间距变大,条纹间距变小, C正确;
D.光源发出的光如果不是单色光,去掉滤光片,仍能发生干涉现象,是复色光的干涉, D错误;
故选AC。
（2）[2] 4.5mm+
[3]由题图可知,条纹间距,双缝与屏之间的距离为m, 双缝间的距离mm,由,得
代入数据得m
7．（23-24高三上·广东河源·开学考试）某实验小组欲测定一段圆柱形玻璃砖的折射率，其操作步骤如下：

a．将白纸固定在水平桌面上，将圆柱形玻璃砖竖直放在白纸上，用铅笔准确描出玻璃砖底面圆的轮廓。
b．将底面圆圆周平分为60等份，并标上相应的数字，如图甲所示，再将玻璃砖竖直放回图甲中的底面圆轮廓上进行实验。
c．用激光笔发出细束激光，沿平行于圆直径的方向入射，分别准确记录入射点P和出射点Q在圆周上对应的读数、。
d．改变入射点位置，重复步骤c。
（1）根据圆周上的读数、可得，入射角 ，折射角 。（以弧度制表示）
（2）若经过多次测量，做出的图像如图乙所示，则玻璃砖的折射率为 （结果保留三位有效数字）。
（3）在本实验的操作过程中，若入射光线发生了如图甲中虚线AB所示的偏离，则折射率的测量值将 （填“偏大”或“偏小”）。
【答案】 （或） （或） 1.50/1.47/1.48/1.49/1.51/1.52/1.53 偏小
【知识点】光的折射定律、折射率
【详解】（1）[1][2]圆周上的刻度被分为60等份，则每个刻度代表的弧度为
根据圆周上的读数可得，入射角
折射角
（2）[3]图像的斜率表示玻璃砖的折射率，则有
（3）[4]若入射光线发生如图甲中虚线所示偏离，则入射角的测量值偏小，折射率的测量值偏小。
8．（2023·陕西榆林·模拟预测）为筹备校运会，学校采购了一批矿泉水。小聪用如图所示的双缝干涉装置测定这种矿泉水的折射率，单色光通过单缝后分为两束，分别从双缝、射到荧光屏上后形成干涉条纹．小聪将待测矿泉水填充到特制容器中（不考虑器壁对光的影响），然后将特制容器（图中未画出）放置在双缝与荧光屏之间（充满双缝与屏之间的整个空间，之前为空气），其他情况不变，通过比对放置特制容器前、后荧光屏上的干涉条纹间距，就可以计算出该矿泉水的折射率．
（1）本实验 测量双缝的间距d， 测量双缝到荧光屏的距离L。（均填“需要”或“不需要”）
（2）若测得放置特制容器前、后荧光屏上相邻两条亮条纹的间距分别为，则这种矿泉水的折射率 。
【答案】 不需要 不需要
【知识点】干涉条纹间距与波长的关系、 折射率的波长表达式和速度表达式
【详解】（1）[1][2]设入射光在矿泉水中的波长为λ′，矿泉水的折射率为n，由可得
由公式，可得放矿泉水样品之前，荧光屏上相邻两条亮条纹的间距为
放矿泉水样品之后，荧光屏上相邻两条亮条纹的间距为
所以可得
所以不需要测量双缝的间距d，也不需要测量双缝到荧光屏的距离L。
（2）[3]这种矿泉水的折射率
9．如图甲所示，在“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用缝间距的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离。接通电源使光源正常工作。
（1）由理论分析可知，波长为的单色光在双缝干涉实验中形成干涉条纹，其相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距 （用已知量字母表示）。
（2）用某种单色光照射双缝得到如图乙所示的干涉条纹，测量头手轮示数如图丙所示，则分划板中心刻线在图乙中位置时手轮示数为 。
（3）若已知分划板中心刻线处于位置时，手轮示数为，则该单色光的波长 （结果保留2位有效数字）。
【答案】 15.078/15.077/15.079
【知识点】杨氏双缝干涉实验的注意事项和误差分析、杨氏双缝干涉实验的实验目的、原理、杨氏双缝干涉实验的实验步骤和数据处理、干涉条纹间距与波长的关系
【详解】（1）[1]在双缝干涉实验中，由相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距与波长的关系可得
（2）[2]分划板中心刻线在图乙中B位置时手轮示数为
（3）[3]由题意可知
因为
由图可知，相邻的两个亮条纹或暗条纹的中心间距为
联立可得，该单色光的波长为
10．（2023高三·全国·专题练习）在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，如图甲所示。
（1）关于该实验，下列说法正确的是 ；
A．单缝及双缝必须平行放置
B．干涉条纹与双缝垂直
C．干涉条纹疏密程度与单缝宽度有关
D．若用绿色滤光片替换红色滤光片，干涉条纹间距会变小
（2）某同学在做该实验时，在同一视野中选取了A、B两条纹，第一次分划板中心刻度对齐A条纹中心时（图乙），游标尺的示数如图丙所示；第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时（图丁），游标尺的示数如图戊所示。已知双缝间距为0.50mm，双缝到屏的距离为1.00m，则图丙游标尺的示数为 mm，两个相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为 mm。所测单色光波长为 m。
【答案】 AD/DA 11.5 1.3
【知识点】更换光的颜色判断条纹间距的变化、杨氏双缝干涉实验的实验步骤和数据处理
【详解】（1）[1]
AB．为使屏上的干涉条纹清晰，单缝和双缝必须平行放置，所得到的干涉条纹与双缝平行，A正确，B错误；
CD．根据公式
可知，干涉条纹疏密程度与双缝间距离、双缝到屏的距离和光的波长有关，绿光的波长小于红光的波长，若用绿色滤光片替换红色滤光片，干涉条纹间距会变小，C错误，D正确。
故选AD。
（2）[2][3][4]由图丙可知，读数为
由图戊可知，读数为
由图乙和图丁可知，A、B两条纹间有4个间距，则两个相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为
根据公式
代入数据解得所测单色光波长为
11．（2024·山东济南·模拟预测）低折射率玻璃因其具有良好的透光性，被广泛应用于反射镜、透镜当中。某实验小组想利用“插针法”测量某种低折射率长方形玻璃砖的折射率。其主要实验步骤如下：
①在白纸上画出一条直线a作为界面，过直线a上的一点O做出法线NN＇，并画出AO作为入射光线，再把玻璃砖放到白纸上，让玻璃砖的上界面和直线a对齐，并画出玻璃砖的下界面b；
②在表示入射光线的AO上插上大头针、；
③在玻璃砖的另一侧先后插上大头针和，位置如图甲所示。
(1)在步骤③中，插大头针时，需要挡住 ；
(2)撤去玻璃砖和大头针，正确完成光路图，如图甲所示，、的连线与直线b交于E点，AO延长线与直线b交于F点，NN＇与直线b交于O＇点，测得，，，该玻璃砖的折射率可以表示为n＝ （结果用d、、表示）；
(3)由于该玻璃砖的折射率很小，在实际测量中E、F两点离得很近，为了减小实验误差，该同学在直线b的下方再画一条平行线c，分别延长OE和OF至直线c，再进行相应测量，计算出折射率，如图乙所示。直线c离直线b的距离适当 （选填“远”或者“近”）一些比较好。
【答案】(1)、的像和
(2)
(3)远
【知识点】用插针法测介质折射率的实验步骤和数据处理、光的折射定律、折射率
【详解】（1）光在同一均匀介质中沿直线传播, 所以插大头针时，需要挡住、的像和。
（2）入射角的正弦为
折射角的正弦为
由折射定律得
解得该玻璃砖的折射率可以表示为
（3）由于该玻璃砖的折射率很小，在实际测量中E、F两点离得很近不方便测量，那么可以采用等比例放大，所以直线c离直线b的距离适当远一点好。
12．（2022·北京海淀·二模）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。例如：
（1）实验仪器。用游标卡尺测某个杯子的深度h，示数如图所示，则该杯子的深度为h = cm。
（2）用“油膜法估测油酸分子的大小”实验中，配制的油酸酒精溶液的浓度为每500mL溶液中有纯油酸2mL，用注射器取1mL该油酸酒精溶液，滴入烧杯中，记录液滴共60滴。取1滴该溶液滴入盛水的浅水盘里，待水面稳定后，在带有坐标方格的玻璃板上描下油膜边界的轮廓线，如图所示。坐标中一个小正方格的边长是1cm。根据以上数据和测量结果，估测出的分子直径约为 。
（3）实验原理。如图为“探究气体等温变化的规律”的实验装置图。实验时，读取空气柱的长度L以及此时所对应的压强p。
①对于一定质量的封闭气体，在温度不变的情况下，若p与L的 保持不变，即得到气体做等温变化的规律。
②某同学发现，压力表上的数值是有单位的，但是针筒旁代表空气柱长度的数值是没有单位的，他查了一下该实验装置的说明书，发现也没有对这个数值单位情况的具体说明。请分析说明这种情况的理由。( )
【答案】 10.070 乘积 因为针筒上下的横截面积都相同，所以空气柱的长度就代表了空气柱的体积的情况；因为最终的结果是p与V的乘积是否不变（或者p与1/V的图像是否为一条直线，即斜率不变），所以只需要知道体积变化的倍数关系，不需要知道具体的单位数值。
【知识点】游标卡尺的使用与读数、理解玻意耳定律、油膜法测分子直径的实验步骤和数据处理
【详解】（1）[1]游标卡尺的精度为0.01mm，主尺读数为
游标尺读数为
故该杯子的深度为
（2）[2]围成的方格中，不足半个舍去，多于半个的算一个，共有140个方格，则油酸膜的面积约为
每滴酒精油酸溶液中含有纯油酸的体积为
把油酸分子看成球形，且不考虑分子间的空隙，则油酸分子直径为
（3）[3]对于一定质量的封闭气体，在温度保持不变时，压强与体积成反比，即压强与体积的乘积不变，得到气体做等温变化的规律。
[4]因为针筒上下的横截面积都相同，所以空气柱的长度就代表了空气柱的体积的情况；因为最终的结果是p与V的乘积是否不变（或者p与的图像是否为一条直线，即斜率不变），所以只需要知道体积变化的倍数关系，不需要知道具体的单位数值。
13．（2024·全国·模拟预测）某同学用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。在橡胶塞和柱塞间封闭着一段空气柱，空气柱的长度可以从刻度尺上读取，空气柱的压强可以从与空气柱相连的压力表上读取。改变并记录空气柱的长度及对应的压强。
(1)处理数据时，某同学分别绘制了乙、丙两种图像，为了快速判断本实验中气体压强和体积的关系，应选择 （填“乙”或“丙”）图像处理数据。
(2)在相同温度下，、B两个小组分别进行了实验，并在同一坐标纸上作出了如图丁所示的图像，两组同学实验所用注射器内的气体质量分别为和，由图像可知 （填“＞”“＝”或“＜”）。
【答案】(1)丙
(2)＞
【知识点】应用波意耳定律解决实际问题
【详解】（1）由于注射器横截面积各处相同，所以可用空气柱长度定性表示空气柱的体积，题图丙中图像为直线，可以直观地表示出压强与成正比关系，即说明压强与体积成反比，题图乙中图像为曲线，不通过计算不能直接由图判断出压强与体积成反比，故为了快速判断本实验中压强和体积的关系，应选择丙图像处理数据。
（2）由题图丁及题意可知，体积和温度相同时
由气体压强的微观意义可知组中气体分子数密度较大，故
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