第18講熱學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求1.掌握四個(gè)基本實(shí)驗(yàn)：(1)用油膜法估測(cè)油酸分子的大小；(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；(3)測(cè)量玻璃的折射率；(4)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)光的波長(zhǎng)。2.熟練應(yīng)用油膜法、控制變量法、單位圓法、圖像法。考點(diǎn)一用油膜法估測(cè)油酸分子的大小1．原理：認(rèn)為油酸薄膜是由單層的油酸分子緊密排列組成，油膜的厚度就是油酸分子的直徑d＝eq\f(V,S)，如圖。2．對(duì)“V”的測(cè)量(1)配制一定濃度的油酸酒精溶液，設(shè)其濃度為n；(2)用注射器吸取一段油酸酒精溶液，讀出它的體積為V0；(3)再把它一滴滴地滴入燒杯中，記下液滴的總滴數(shù)N；(4)則一滴油酸酒精溶液中，純油酸的體積V＝eq\f(V0,N)n。3．對(duì)“S”的測(cè)量(1)數(shù)出輪廓范圍內(nèi)正方形的個(gè)數(shù)n0，不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算一個(gè)；(2)用正方形的個(gè)數(shù)乘單個(gè)正方形的面積S0計(jì)算出油膜的面積S(即n0S0)。例1(2022·江蘇鹽城市東臺(tái)創(chuàng)新高級(jí)中學(xué)檢測(cè))在做“用油膜法估測(cè)油酸分子大小”的實(shí)驗(yàn)中，所用油酸酒精溶液的濃度為每104mL溶液中有純油酸6mL，用注射器測(cè)得1mL上述溶液有75滴，把1滴該溶液滴入盛水且表面撒有爽身粉的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用筆在玻璃板上描出油酸的輪廓，再把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀和尺寸如圖所示，坐標(biāo)中正方形方格的邊長(zhǎng)為2cm。(1)下列有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的說法正確的是________。A．本實(shí)驗(yàn)也可直接將純油酸滴在水面上測(cè)量B．本實(shí)驗(yàn)將油膜看成單分子油膜C．本實(shí)驗(yàn)忽略了分子的間隙D．測(cè)量油膜面積時(shí)，由于不足一格的正方形面積無法估讀，全部舍去(2)該實(shí)驗(yàn)中每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積為______m3；油膜的面積是______cm2；按以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估測(cè)出油酸分子的直徑為________m。(最后1空保留2位有效數(shù)字)考點(diǎn)二探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系1.實(shí)驗(yàn)法：控制變量法實(shí)驗(yàn)裝置如圖2．為保證等溫變化，實(shí)驗(yàn)過程中不要用手握住注射器有氣體的部位。同時(shí)，改變體積過程應(yīng)緩慢，以免影響密閉氣體的溫度。為保證氣體密閉，應(yīng)在活塞與注射器內(nèi)壁間涂上潤(rùn)滑油，注射器內(nèi)外氣體的壓強(qiáng)差不宜過大。3．在等溫過程中，氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系在p－V圖像中呈現(xiàn)為雙曲線(其中一支)，如圖甲。處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，要通過變換，即畫p－eq\f(1,V)圖像，把雙曲線(其中一支)變?yōu)橹本€，說明p和V成反比，如圖乙。這是科學(xué)研究中常用的數(shù)據(jù)處理的方法，因?yàn)橐淮魏瘮?shù)反映的物理規(guī)律比較直觀，容易得出相關(guān)的對(duì)實(shí)驗(yàn)研究有用的參數(shù)。例2(2023·江蘇省南京師大附中一模)用圖示裝置探究氣體做等溫變化的規(guī)律，將一定質(zhì)量的空氣封閉在導(dǎo)熱性能良好的注射器內(nèi)，注射器與壓強(qiáng)傳感器相連。實(shí)驗(yàn)中()A．活塞涂潤(rùn)滑油可減小摩擦，便于氣體壓強(qiáng)的測(cè)量B．注射器內(nèi)裝入少量空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以減小實(shí)驗(yàn)誤差C．0℃和20℃環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論沒有影響D．外界大氣壓強(qiáng)發(fā)生變化，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論例3(2023·山東卷·13)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(tái)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。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eq\f(1,V)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(shí)，一同學(xué)在記錄數(shù)據(jù)時(shí)漏掉了ΔV，則在計(jì)算pV乘積時(shí)，他的計(jì)算結(jié)果與同組正確記錄數(shù)據(jù)同學(xué)的計(jì)算結(jié)果之差的絕對(duì)值會(huì)隨p的增大而________(填“增大”或“減小”)。考點(diǎn)三測(cè)量玻璃的折射率1．一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)步驟在玻璃磚的另一側(cè)插上P3，使P3擋住P1、P2的像，再插上P4，使P4擋住P3和P1、P2的像。2．三個(gè)數(shù)據(jù)處理的方法(1)計(jì)算法：由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，算出不同入射角時(shí)的n值，并取平均值。(2)圖像法：作sinθ1－sinθ2圖像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知其斜率為折射率。(3)單位圓法：以入射點(diǎn)O為圓心，作半徑為R的圓，如圖所示，則sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，所以用刻度尺量出EH、E′H′的長(zhǎng)度就可以求出n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′)。3．兩個(gè)減小誤差的實(shí)驗(yàn)要求(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能將大頭針豎直插在紙上，且P1和P2之間、P3和P4之間、P2和O、P3與O′之間距離要稍大一些。(2)入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)，當(dāng)θ1太大時(shí)，反射光較強(qiáng)，出射光較弱，當(dāng)θ1太小時(shí)，入射角、折射角測(cè)量的相對(duì)誤差較大。例4(2023·江蘇南京市二模)如圖所示，某同學(xué)用“插針法”測(cè)量平行玻璃磚的折射率，他先在紙上緊貼玻璃磚畫出參考線aa′、bb′，釘上大頭針P1、P2，然后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，并畫出光路圖，則下列說法正確的是()A．入射角i盡量小一些，可以減小誤差B．P1、P2及P3、P4之間的距離取得小一些，可以減小誤差C．若該同學(xué)在釘大頭針P3時(shí)不小心使玻璃磚平移到了虛線框位置，則最終測(cè)得的折射率偏大D．若該同學(xué)把bb′誤畫在了cc′(cc′∥bb′)，其他操作均正確，則測(cè)得的折射率偏小例5(2023·廣東卷·11)某同學(xué)用激光筆和透明長(zhǎng)方體玻璃磚測(cè)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(zhǎng)線與ef面的邊界交于P點(diǎn)，如圖(a)所示；③用刻度尺測(cè)量PM和OM的長(zhǎng)度d1和d2。PM的示數(shù)如圖(b)所示，d1為________cm。測(cè)得d2為3.40cm；(3)利用所測(cè)量的物理量，寫出玻璃磚折射率的表達(dá)式n＝________；由測(cè)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(duì)誤差的計(jì)算式為δ＝eq\f(測(cè)量值－真實(shí)值,真實(shí)值)×100%。為了減小d1、d2測(cè)量的相對(duì)誤差，實(shí)驗(yàn)中激光在M點(diǎn)入射時(shí)應(yīng)盡量使入射角________。考點(diǎn)四用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)光的波長(zhǎng)1．實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)器材(如圖)雙縫干涉儀、光具座、光源、學(xué)生電源、導(dǎo)線、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測(cè)量頭、刻度尺。2．原理：Δx＝eq\f(l,d)λ，因此，只要測(cè)出Δx、d、l即可測(cè)出波長(zhǎng)λ。3．Δx的測(cè)量：調(diào)節(jié)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線對(duì)齊第1條亮條紋的中心，記下手輪上的讀數(shù)a1；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，當(dāng)分劃板中心刻線與第n條相鄰的亮條紋中心對(duì)齊時(shí)，記下手輪上的讀數(shù)a2；則相鄰兩條亮條紋間的距離Δx＝eq\f(|a1－a2|,n－1)。例6(2022·江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué)期末)在“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”的實(shí)驗(yàn)中，請(qǐng)按照題目要求回答下列問題：(1)圖中甲、乙兩圖都是光的條紋形狀示意圖，其中干涉圖樣是________(填“甲”或“乙”)。(2)將下表中的光學(xué)元件放在圖丙所示的光具座上組裝成用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并用此裝置測(cè)量紅光的波長(zhǎng)。元件代號(hào)ABCDE元件名稱光屏雙縫白光光源單縫透紅光的濾光片將白光光源C放在光具座最左端，依次放置其他光學(xué)元件，從左至右，表示各光學(xué)元件的排列順序應(yīng)為____________。(填寫元件代號(hào))(3)已知該裝置中雙縫間距d＝0.50mm，雙縫到光屏的距離l＝0.50m，在光屏上得到的干涉圖樣如圖(a)所示，分劃板中心刻線在圖中A位置時(shí)游標(biāo)卡尺如圖(b)所示，則其示數(shù)為________mm；在B位置時(shí)游標(biāo)卡尺如圖(c)所示。由以上所測(cè)數(shù)據(jù)可以得出形成此干涉圖樣的單色光的波長(zhǎng)為________m(保留兩位有效數(shù)字)。1．(2023·江蘇無錫市期末)如圖所示，在“用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是()A．濾光片應(yīng)置于單縫和雙縫之間B．撥桿的作用是調(diào)節(jié)單縫的寬度C．實(shí)驗(yàn)中將6個(gè)條紋間距誤數(shù)成7個(gè)，則波長(zhǎng)測(cè)量值將偏小D．若通過目鏡發(fā)現(xiàn)里面的亮條紋與分劃板豎線未對(duì)齊，可通過旋轉(zhuǎn)雙縫進(jìn)行調(diào)整2．某同學(xué)通過如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，利用玻意耳定律來測(cè)定一顆形狀不規(guī)則的冰糖的體積。(1)將冰糖裝進(jìn)注射器，通過推、拉活塞改變封閉氣體的體積和壓強(qiáng)。若實(shí)驗(yàn)過程中不慎將活塞拔出針筒，則________(填“需要”或“不需要”)重做實(shí)驗(yàn)。(2)實(shí)驗(yàn)中通過活塞