【物理】2020届一轮复习人教版第十八单元选修实验学案 27页

第十八单元　选修实验 知识内容 考题统计 命题分析 ‎2016/10‎ ‎2017/04‎ ‎2017/11‎ ‎2018/04‎ ‎2018/11‎ 十一、探究电磁感应的产生条件 七个选修实验中“变压器”“感应电流方向”“单摆”“折射率”“动量”均有考查，而“双缝干涉”比较特殊，除以实验的形式考查，还经常在3道选修选择题中考查，甚至综合光电效应、能级跃迁或光的折射进行考查。‎ 十二、探究感应电流方向的规律 ‎21‎ 十三、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系 ‎21‎ 十四、探究单摆周期与摆长的关系 ‎21‎ 十五、测定玻璃的折射率 ‎21‎ 十六、用双缝干涉测量光的波长(同时练习使用游标型测量头)‎ ‎14‎ ‎16‎ ‎15‎ ‎21‎ 十七、探究碰撞中的不变量 ‎21‎ 实验十一 探究电磁感应的产生条件 ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．探究导体棒在磁场中运动是否产生电流(如图所示)：‎ 实验操作 实验现象(有无电流)‎ 分析论证 导体棒静止 无 闭合电路包围的面积变化时，电路中有电流产生；包围的面积不变时，电路中无电流产生 导体棒平行 磁感线运动 无 导体棒切割 磁感线运动 有 ‎2．探究磁铁在通电螺线管中运动是否产生电流(如图所示)：‎ 实验操作 实验现象(有无电流)‎ 分析论证 N极插入线圈 有 线圈中的磁场变化时，线圈中有感应电流；线圈中的磁场不变时，线圈中无感应电流 N极停在线圈中 无 N极从线圈中抽出 有 S极插入线圈 有 S极停在线圈中 无 S极从线圈中抽出 有 ‎3．模仿法拉第的实验(如图所示)：‎ 实验操作 实验现象 ‎(线圈B中有无电流)‎ 分析论证 开关闭合瞬间 有 线圈B中磁场变化时，线圈B中有感应电流；线圈B 中磁场不变时，线圈B中无感应电流 开关断开瞬间 有 开关保持闭合，滑动变阻器滑片不动 无 开关保持闭合，迅速移动滑动变阻器的滑片 有 二、实验结论 只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流。‎ ‎[研考题考法]‎ 　[多选]用如图所示的实验装置来研究电磁感应的条件，下列有关实验过程的描述正确的是(　　 )‎ A．闭合开关后，当线圈A从线圈B中迅速抽出时，电流表指针将发生偏转 B．闭合开关后，当滑动变阻器滑片向右滑动时，电流表指针将发生偏转 C．闭合开关的瞬间，电流表指针将发生偏转 D．闭合开关后，当线圈A和线圈B整体在桌面移动时，电流表指针将发生偏转 ‎[解析]　闭合开关后，当线圈A从线圈B中迅速抽出或滑动变阻器滑片向右滑动时，线圈B中的磁场发生变化，有感应电流产生，电流表指针将发生偏转，故A、B正确；同样，闭合开关瞬间，线圈B中因磁场变化而产生感应电流，电流表指针将发生偏转，C正确；对于D选项，线圈B中磁场不产生感应电流，电流表指针不会发生偏转，D错误。‎ ‎[答案]　ABC ‎[对点训练]‎ ‎1．如图所示是“研究电磁感应现象”的实验装置。‎ ‎(1)将实物电路中所缺的导线补充完整。‎ ‎(2)如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏了一下，那么闭合开关后，将线圈L1迅速插入线圈L2中，灵敏电流计的指针将________(选填“向左”“向右”或“不”‎ ‎)偏转，将滑动变阻器的滑片迅速向右移动时，灵敏电流计的指针将________(选填“向左”“向右”或“不”)偏转。‎ 解析：(1)补充的实物电路如图所示。‎ ‎(2)已知闭合开关瞬间，线圈L2中的磁通量增加，产生的感应电流使灵敏电流计的指针向右偏转。当开关闭合后，将线圈L1迅速插入线圈L2中时，线圈L2中的磁通量增加，由已知条件可知产生的感应电流也应使灵敏电流计的指针向右偏转。滑动变阻器的滑片迅速向右移动，线圈L1中的电流变小，线圈L2中的磁场方向不变，磁通量减少，则灵敏电流计的指针向左偏转。‎ 答案：(1)见解析图　(2)向右　向左 实验十二 探究感应电流方向的规律 ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．实验器材：条形磁铁、电流表、线圈、导线、干电池(用来查明线圈中电流的流向与电流表中指针偏转方向的关系)。‎ ‎2．实验现象：如图所示，在四种情况下，将实验结果填入下表：‎ ‎(1)线圈内磁通量增加时的情况：‎ 图号 磁场方向 感应电流的方向 感应电流的磁场方向 甲 向下 逆时针(俯视)‎ 向上 乙 向上 顺时针(俯视)‎ 向下 ‎(2)线圈内磁通量减少时的情况：‎ 图号 磁场方向 感应电流的方向 感应电流的磁场方向 丙 向下 顺时针(俯视)‎ 向下 丁 向上 逆时针(俯视)‎ 向上 二、实验结论 表述一：当穿过线圈的磁通量增加时，感应电流的磁场与原磁场的方向相反；当穿过线圈的磁通量减少时，感应电流的磁场与原磁场的方向相同。‎ 表述二：当磁铁靠近线圈时，两者相斥；当磁铁远离线圈时，两者相吸。‎ ‎[研考题考法]‎ 　(2017·浙江4月选考)用如图所示的装置做“探究感应电流方向的规律”实验，磁体从靠近线圈的上方静止下落。当磁体运动到如图所示的位置时，流过线圈的感应电流方向从________(填“a到b”或“b到a”)。在磁体穿过整个线圈的过程中，传感器显示的电流i随时间t的图象应该是________。‎ ‎[解析]　根据楞次定律及磁体磁极方向判断，题图所示位置，流过线圈的感应电流方向为从b到a。磁体进入和穿出线圈时感应电流方向相反，而且下落速度加快，即时间更短、电流更大，选项A正确。‎ ‎[答案]　b到a　A ‎[对点训练]‎ ‎2．(2018·丽水调研)为了探究电磁感应现象，某实验小组将电池、线圈A、线圈B、滑动变阻器、灵敏电流计、开关按照如图所示的方式连接。当闭合开关时发现灵敏电流计的指针右偏。由此可知：‎ ‎(1)当滑动变阻器的滑片P向右移动时，灵敏电流计的指针__________(填“左偏”“不动”“右偏”)；‎ ‎(2)将线圈A拔出时，灵敏电流计的指针__________(填“左偏”“不动”“右偏”)，此时线圈A与线圈B中电流的绕行方向__________(填“相同”或“相反”)。‎ 解析：由题意知，当闭合开关时，线圈B的磁通量增加，电流计向右偏，则滑片P向右滑动时，磁通量增加，指针右偏；将线圈A拔出时，磁通量减少，指针左偏，由楞次定律可知此时线圈A、B中电流的绕行方向相同。‎ 答案：(1)右偏　 (2)左偏　 相同 ‎3．(2018·桐乡检测)一灵敏电流计(电流表)，当电流从它的正接线柱流入时，指针向正接线柱一侧偏转，现把它与一个线圈串联，如图(a)、(b)所示。‎ ‎(1)图(a)中灵敏电流计指针的偏转方向为________(填“偏向正极”或“偏向负极”)。‎ ‎(2)图(b)中磁铁下方的极性是________(选填“N极”或“S极”)。‎ ‎(3)利用盛沙的漏斗演示简谐运动，如果考虑漏斗里沙子逐渐减少，则沙摆的周期将________。‎ A．逐渐增大　　　　　　　　 B．逐渐减小 C．先增大后减小 D．先减小后增大 解析：(1)磁铁向下运动，穿过线圈的磁通量增加，原磁场方向向下，根据楞次定律知感应电流方向俯视为逆时针方向，从正接线柱流入电流计，指针偏向正极。‎ ‎(2)由题图可知，电流从负接线柱流入电流计，根据安培定则，感应电流的磁场方向向下，又磁通量增加，根据楞次定律可知，磁铁下方为S极。‎ ‎(3)沙子逐渐减少，沙子和漏斗的重心将逐渐降低，沙子漏完后重心又升高，所以摆长先变长后变短，根据单摆周期公式T＝2π知周期先变大后变小，故C正确。‎ 答案：(1)偏向正极　(2)S极　(3)C 实验十三 探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系 ‎ [通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．实验器材：学生电源、可拆变压器(配备几个不同匝数的线圈)、多用电表。‎ ‎2．实验步骤 ‎(1)把两个线圈套到可拆变压器的铁芯上。一个线圈作为原线圈，连到学生电源的交流输出端。另一个作为副线圈，两端可以不接用电器。‎ ‎(2)闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量两个线圈两端的电压，测量时，先用量程比较大的交流电压挡，例如交流50 V挡，如果电压读数表明实际电压不太大，可以改用较小一级的电压挡。测量完毕时断开学生电源的开关。‎ ‎(3)改变学生电源的电压设置，重复以上实验。‎ ‎(4)原线圈与副线圈对调，重复以上实验。‎ ‎(5)换用其他线圈，重复以上实验。‎ 二、实验结论 在误差允许的范围内，变压器线圈两端的电压与匝数成正比。‎ 数学表达式： ＝。‎ ‎[研考题考法]‎ 　(2018·浙江金丽衢十二校联考)在探究变压器线圈 两端的电压与匝数的关系实验中，小李同学采用了如图所示的可拆式变压器(铁芯不闭合)进行研究。‎ ‎(1)实验还需选项图中的__________(多选)。‎ ‎(2)实验中，变压器的原线圈接“0,8”接线柱，副线圈接“0,4”接线柱，若副线圈所接电表的示数为5.0 V，则所接电源电压为________。‎ A．18.0 V　　　　　　 B．10.0 V C．5.0 V D．2.5 V ‎[解析]　(1)变压器的原理是互感现象的应用，是原线圈磁场的变化引起副线圈感应电流的变化，所以原线圈要接交流电源，需要用学生电源供电，直流电压表不能测量交流电压，只能用多用电表测量交流电压，故A、D正确，B、C错误。‎ ‎(2)若变压器是理想变压器，则有变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系：＝。若变压器的原线圈接“0,8”接线柱，副线圈接“0,4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为5.0 V，那么原线圈的电压为U1＝×5 V＝10 V；该实验中的可拆式变压器铁芯不闭合，要使副线圈所接电表的示数为5.0 V，那么原线圈的电压必须大于10 V，故A正确，B、C、D错误。‎ ‎[答案]　(1)AD　(2)A ‎[对点训练]‎ ‎4．(2018·温州期末)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，某同学利用教学用的可拆变压器进行探究。‎ ‎(1)关于实验操作，下列说法正确的是________。‎ A．为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12 V B．实验通电时，可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路 C．使用多用电表测电压时，先用中等量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量 ‎(2)在实验中，某同学保持原线圈两端的电压及副线圈的匝数不变，仅减小原线圈的匝数，副线圈两端的电压将________(选填“增大”“减小”或“不变”)。‎ 解析：(1)为了人身安全，尽量使用低压交流电源，以防止升压后电压超过人体安全电压，实验中不要用手接触裸露的电源线或者接头等，由于不知道变压器升压之后是多少，应从最大测量值大的试测，从大到小选择合适量程，所以选项A正确。‎ ‎(2)根据变压器线圈匝数与电压的关系＝可知，U2＝U1，U1、n2保持不变，减小n1，则副线圈电压升高。‎ 答案：(1)A　(2)增大 实验十四 探究单摆周期与摆长的关系 ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．实验原理 当偏角很小时，单摆做简谐运动，其运动周期为T＝2π，它与偏角的大小及摆球的质量无关，由此得到g＝。因此，只要测出摆长l和振动周期T，就可以求出当地重力加速度g的值。‎ ‎2．实验器材 带有铁夹的铁架台、中心有小孔的金属小球，不易伸长的细线(约1米)、秒表、毫米刻度尺和游标卡尺。‎ 附：游标卡尺的读数介绍 ‎(1)构造：主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)、游标尺上还有一个深度尺。(如图所示)‎ ‎(2)用途：测量厚度、长度、深度、内径、外径。‎ ‎(3)原理：利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成。‎ 不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1 mm。常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的，其读数见下表：‎ 刻度格数 ‎(分度)‎ 刻度总长度 每小格与 ‎1 mm的差值 精确度 ‎(可准确到)‎ ‎10‎ ‎9 mm ‎0.1 mm ‎0.1 mm ‎20‎ ‎19 mm ‎0.05 mm ‎0.05 mm ‎50‎ ‎49 mm ‎0.02 mm ‎0.02 mm ‎(4)读数：若用x表示从主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数，则记录结果表达为(x＋K×精确度)mm。‎ ‎3．实验步骤 ‎(1)让细线的一端穿过金属小球的小孔，然后打一个比小孔大一些的线结，做成单摆。‎ ‎(2)把细线的上端用铁夹固定在铁架台上，把铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，让摆球自然下垂，在单摆平衡位置处作上标记，如实验原理图。‎ ‎(3)用毫米刻度尺量出摆线长度l′，用游标卡尺测出摆球的直径，即得出金属小球半径r，计算出摆长l＝l′＋r。‎ ‎(4)把单摆从平衡位置处拉开一个很小的角度(不超过5°)，然后放开金属小球，让金属小球摆动，待摆动平稳后测出单摆完成30～50次全振动所用的时间t，计算出金属小球完成一次全振动所用时间，这个时间就是单摆的振动周期，即T＝(N为全振动的次数)，反复测3次，再算出周期＝。‎ ‎(5)根据单摆振动周期公式T＝2π计算当地重力加速度g＝。‎ ‎(6)改变摆长，重做几次实验，计算出每次实验的重力加速度值，求出它们的平均值，该平均值即为当地的重力加速度值。‎ ‎(7)将测得的重力加速度值与当地重力加速度值相比较，分析产生误差的可能原因。‎ 二、数据处理与注意事项 ‎1．处理数据有两种方法 ‎(1)公式法：测出30次或50次全振动的时间t，利用T＝求出周期；不改变摆长，反复测量三次，算出三次测得的周期的平均值，然后代入公式g＝求重力加速度。‎ ‎(2)图象法：由单摆周期公式不难推出：l＝T2，因此，分别测出一系列摆长l对应的周期T，作lT2的图象，图象应是一条通过原点的直线，求出图线的斜率k＝，即可利用g＝4π2k＝求得重力加速度值，如图所示。‎ ‎2．注意事项 ‎(1)构成单摆的条件：细线的质量要小、弹性要小，选用体积小、密度大的小球，摆角不超过5°。‎ ‎(2)要使摆球在同一竖直面内摆动，不能形成圆锥摆，方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放。‎ ‎(3)测周期的方法：①要从摆球过平衡位置时开始计时。因为此处速度大、计时误差小，而最高点速度小、计时误差大。‎ ‎②要测多次全振动的时间来计算周期。如在摆球过平衡位置时开始计时，且在数“零”的同时按下秒表，以后每当摆球从同一方向通过最低位置时计数1次。‎ 三、实验结论 单摆周期与摆长、当地重力加速度的关系为T＝2π；还可以通过本实验测量当地的重力加速度。‎ ‎[研考题考法]‎ 　(2018·台州模拟)在“探究单摆周期与摆长关系”实验中。‎ ‎(1)为测量摆线长，必须使单摆处于________(选填“水平拉直”或“自然悬垂”)状态。利用游标卡尺测量摆球的直径如图所示，其读数为________ cm。‎ ‎(2)改变摆线长L0，测量单摆的周期获得了多组数据。在进行数据处理时，甲同学把摆线长L0作为摆长，直接利用公式求出各组重力加速度值再求出平均值；乙同学作出T2L0图象后求出斜率，然后算出重力加速度。两同学处理数据的方法对结果的影响是：甲________，乙________(选填“偏大”“偏小”或“无影响”)。‎ ‎[解析]　(1)测量摆线长时，单摆处于自然悬垂状态，摆球的直径为d＝16.0 mm＝1.60 cm。‎ ‎(2)根据单摆周期公式T＝2π，可知g＝L，如果用摆线长作为摆长计算，则算出的重力加速度应该偏小。根据T2＝L，通过作T2L0图象求斜率来计算重力加速度对测量结果无影响。‎ ‎[答案]　(1)自然悬垂　1.60　(2)偏小　无影响 ‎[对点训练]‎ ‎5．下表是用单摆测定重力加速度实验中获得的有关数据：‎ 摆长l/m ‎0.5‎ ‎0.6‎ ‎0.8‎ ‎1.1‎ 周期T2/s2‎ ‎2.0‎ ‎2.4‎ ‎3.2‎ ‎4.4‎ ‎(1)利用上述数据，在下图的坐标系中描绘出lT2图象。‎ ‎(2)利用图象，取T2＝4.2 s2时，l＝__________m，重力加速度g＝__________m/s2。(结果保留三位有效数字)‎ 解析：由T＝2π 得l＝T2，所以图象是过原点且斜率为的一条直线。‎ ‎(1)lT2图象如图所示。‎ ‎(2)T2＝4.2 s2时，从图中可读出其摆长l＝1.05 m，将T2和l代入公式g＝，得g≈9.86 m/s2。‎ 答案：(1)见解析图　(2)1.05　9.86‎ ‎6．(2018·金华十校联考)某同学在实验室测量当地的重力加速度。将单摆挂在力传感器的下端，通过计算机来记录力传感器测定单摆摆动过程中摆线受到拉力大小的变化情况，以及单摆摆动的时间。实验过程中，保持摆线偏离平衡位置的夹角小于5°。‎ ‎(1)实验时用20分度的游标卡尺测量摆球直径，示数如图1所示，该摆球的直径d＝________ mm。‎ ‎(2)实验测得摆长为L，传感器测得摆线的拉力F随时间t变化的图象如图2所示，则重力加速度的表达式为：g＝________(用题目中物理量的字母表示)。‎ 解析：(1)根据游标卡尺读数，主尺为14 mm，游标为11×0.05 mm，所以读数为14.55 mm。‎ ‎(2)由向心力知识可知，摆球在最低点时，摆线的拉力最大，摆球在最高点时，摆线的拉力最小，根据单摆周期公式T＝2π，可知g＝L，图中相邻波谷代表半个周期，所以g ‎＝L＝L。‎ 答案：(1)14.55　(2) 实验十五 测定玻璃的折射率 ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．实验目的 掌握测定玻璃折射率的方法。‎ ‎2．实验原理 用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝。‎ ‎3．实验器材 玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔。‎ ‎4．实验步骤 ‎(1)如图所示，将白纸用图钉钉在平木板上。‎ ‎(2)在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线。‎ ‎(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′。‎ ‎(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置。‎ ‎(5)移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。‎ ‎(6)连接OO′，入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中。‎ ‎(7)用上述方法求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中。‎ ‎(8)算出不同入射角的比值，最后求出在几次实验中所测的平均值，即为玻璃砖的折射率。‎ 二、数据处理与注意事项 ‎1．处理数据有两种方式 处理方式一：在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图甲所示。‎ 由于sin θ1＝，sin θ2＝，‎ 而CO＝DO，所以折射率n＝＝。‎ 重复以上实验，求得各次折射率的计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。‎ 处理方式二：根据折射定律可得n＝，‎ 因此有sin θ2＝sin θ1。‎ 在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sin θ1值为横坐标、以sin θ2值为纵坐标，建立直角坐标系如图乙所示，描数据点，过数据点连线得到一条过原点的直线。‎ 求解图线斜率，设斜率为k，则k＝，故玻璃砖折射率n＝。‎ ‎2．注意事项 ‎(1)实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动。‎ ‎(2)用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb′。‎ ‎(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一些，以减少确定光路方向时造成的误差。‎ ‎(4)实验时，入射角θ1不宜过小，否则会增大测量角度的误差；入射角也不宜过大，因入射角太大时，折射光线太弱。‎ ‎(5)为减小实验误差，要改变入射角，重复实验，所以应将每次实验所得的插孔进行编号，以免造成混乱。‎ ‎(6)玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm以上，若宽度太小，则测量误差较大。‎ ‎[研考题考法]‎ 　(2017·浙江11月选考)在“测定玻璃的折射率”实验时，‎ ‎(1)下列做法正确的是________；‎ A．入射角越大，误差越小 B．在白纸上放好玻璃砖后，用铅笔贴着光学面画出界面 C．实验时既可用量角器，也可用圆规和直尺等工具进行测量 D．判断像与针是否在同一直线时，应该观察大头针的头部 ‎(2)小明同学在插针时玻璃砖的位置如图1所示。根据插针与纸上已画的界面确定入射点与出射点，依据上述操作所测得的折射率______________(填“偏大”“偏小”或“不变”)；‎ ‎　‎ ‎(3)小明同学经正确操作后，在纸上留下四枚大头针的位置P1、P2、P3和P4，AB和CD是描出的玻璃砖的两个边，如图2所示。请在图2中画出光路图。‎ ‎[解析]　(1)本实验在用插针法时，入射角不宜过大，否则像将变模糊，误差就会变大，选项A错误；严禁用铅笔贴着玻璃砖光学面画线，以免磨花光学面，应该采用边缘描点法确定界面，选项B错误；本实验可以用量角器通过n＝测定玻璃的折射率，也可以用圆规和直尺将三角函数之比转化为角度对边之比，选项C正确；在观察像与针是否在一条直线时，应该观察大头针底部，所以D错误。‎ ‎(2)根据n＝，折射角测量值偏大，导致所测折射率偏小。‎ ‎(3)如图所示：‎ ‎[答案]　(1)C　(2)偏小　(3)光路图见解析 ‎[对点训练]‎ ‎7.用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2‎ ‎，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住。接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出大头针位置和三棱镜轮廓，如图所示。‎ ‎(1)在图上画出所需的光路；‎ ‎(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是__________，在图上标出它们且标出传播方向；‎ ‎(3)计算折射率的公式是n＝__________。‎ 解析：(1)如图，过P1、P2作直线交AB于O，过P3、P4作直线交AC于O′，连接OO′就是光在棱镜中的光路图(标上箭头)。‎ ‎(2)如图，还需测量入射角θ1、折射角θ2。‎ ‎(3)由折射定律可知n＝。‎ 答案： (1)见解析图 ‎(2)入射角θ1，折射角θ2　见解析图 ‎(3) ‎8．(2018·金华十校联考)某同学用大头针、三角板(无刻度)、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。开始玻璃砖直径边的位置如图中实线1所示，使大头针P1、P2与圆心O在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边。然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像，且P2的像能挡住P1的像。当玻璃砖直径边转到图中实线2位置时，上述现象恰好消失。此时只需测量出____________________(填物理量及符号)，即可计算出玻璃砖的折射率n＝________(用测量的物理量表示)。‎ 解析：根据题意，此时发生了全反射现象，玻璃砖转过的角度即为入射光的入射角，即n＝。‎ 答案：玻璃砖转过的角度θ　 ‎9．小张同学利用“插针法”测定玻璃的折射率。‎ ‎(1)小张将玻璃砖从盒子拿出放到白纸上，图示操作较为规范与合理的是________。‎ ‎(2)小张发现玻璃砖上下表面不一样，一面是光滑的，一面是磨砂的，将玻璃砖____________(选填“磨砂的面”或“光滑的面”)与白纸接触进行实验较为合理。‎ ‎(3)小张正确操作插好了4枚大头针，如图所示，请帮助小张画出正确的光路图，然后进行测量和计算，得出该玻璃砖的折射率n＝________(保留三位有效数字)。‎ 解析：(1)玻璃砖的光学面不能用手直接接触，否则会使光学面磨损，影响测量结果。‎ ‎(2)为了不影响实验观察，应使磨砂的面与白纸接触。‎ ‎(3)光路图如图所示。设方格纸上小正方形的边长为1，光线的入射角为θ1，折射角为θ2，则sin θ1＝≈0.798，sin θ2＝≈0.486，所以该玻璃砖的折射率n＝＝≈1.64。‎ 答案：(1)B　(2)磨砂的面　(3)见解析图　1.64‎ 实验十六 用双缝干涉测量光的波长(同时练习使用游标型测量头)‎ ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎1．实验目的 ‎(1)观察白光及单色光的双缝干涉图样。‎ ‎(2)掌握用公式λ＝Δx测定单色光的波长的方法。‎ ‎2．实验原理 ‎(1)相邻亮条纹(或暗条纹)间的距离Δx与入射光波长λ之间的定量关系。‎ 如图所示，双缝间距为d，双缝到屏的距离为l。相邻两亮条纹或暗条纹的中心间距：Δx＝λ。‎ ‎(2)测量原理 由公式Δx＝λ可知，在双缝干涉实验中，d是双缝间距，是已知的；l是双缝到屏的距离，可以测出，那么，只要测出相邻两亮条纹(或相邻两暗条纹)中心间距Δx，即可由公式λ＝Δx计算出入射光波长的大小。‎ ‎(3)测量Δx的方法 测量头由分划板、目镜、手轮等构成，如图甲所示，测量时先转动测量头，让分划板中心刻线与干涉条纹平行，然后转动手轮，使分划板向左(或向右)移动至分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，如图乙，记下此时读数，再转动手轮，用同样的方法测出n个亮条纹间的距离a，则可求出相邻两亮条纹间的距离Δx＝。‎ ‎3．实验器材 双缝干涉仪(包括：光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、光屏及测量头，其中测量头又包括：分划板、目镜、手轮等)、学生电源、导线、米尺。‎ ‎4．实验步骤 ‎(1)器材的安装与调整 ‎①先将光源(线状光源)、遮光筒依次放于光具座上，如图甲所示，调整光源的高度，使它发出的一束光沿着遮光筒的轴线把屏照亮。‎ ‎②‎ 将单缝和双缝安装在光具座上，使线状光源、单缝及双缝三者的中心位于遮光筒的轴线上，并注意使双缝与单缝相互平行，在遮光筒有光屏一端安装测量头，如图乙所示，调整分划板位置到分划板中心刻线位于光屏中央。‎ ‎(2)观察双缝干涉图样 ‎①调节单缝的位置，使单缝和双缝间距离保持在5～10 cm，使缝相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上，这时通过测量头上的目镜观察干涉条纹，若干涉条纹不清晰，可通过遮光筒上的调节长杆轻轻拨动双缝，即可使干涉条纹清晰明亮。在屏上就会看到白光的双缝干涉图样。‎ ‎②将红色(或绿色)滤光片套在单缝前面，通过目镜可看到单色光的双缝干涉条纹。‎ ‎③在光源及单缝之间加上一凸透镜，调节光源及单缝的位置，使光源灯丝成像于单缝上，可提高双缝干涉条纹的亮度，使条纹更加清晰，如图丙所示。‎ 二、数据处理与注意事项 ‎1．数据处理 ‎(1)转动手轮，使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；并记下两次测量的条纹数n，则相邻两亮条纹间距Δx＝。‎ ‎(2)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(双缝间距d是已知的)。‎ ‎(3)将测得的l、Δx代入λ＝Δx，求出光的波长λ。‎ ‎(4)多次重复上述步骤，求出波长的平均值。‎ ‎(5)换用不同的滤光片，重复上述实验。‎ ‎2．注意事项 ‎(1)放置单缝和双缝时，必须使缝平行。‎ ‎(2)要保证光源、滤光片、单缝、双缝和光屏的中心在同一条轴线上。‎ ‎(3)测量头的中心刻线要对着亮(或暗)条纹的中心。‎ ‎(4)要多测几条亮条纹(或暗条纹)中心间的距离，再求Δx。‎ ‎(5)照在像屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头与遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰一般是因为单缝与双缝不平行。‎ ‎[研考题考法]‎ 　(2018·浙江4月选考)小明在做“用双缝干涉测量光的波长”实验时，尝试用单缝和平面镜做类似实验。单缝和平面镜的放置如图所示，白炽灯发出的光经滤光片成为波长为λ的单色光照射单缝，能在光屏上观察到明暗相间的干涉条纹。小明测得单缝与镜面延长线的距离为h，与光屏的距离为D，则条纹间距Δx＝______。随后小明撤去平面镜，在单缝下方A处放置同样的另一单缝，形成双缝结构，则在光屏上________(填“能”或“不能”)观察到干涉条纹。‎ ‎[解析]　由于平面镜反射可以等效看成是间距为2h的两条双缝干涉(如图所示)，所以Δx＝。虽然在单缝下方A处放置同样的另一单缝，形成双缝结构，但白炽灯的光通过滤光片后直接通过双缝不能形成稳定的相位差，并不能成为相干光。干涉的条件是频率相等、振动方向相同、相位差恒定，而光波是概率波，随机发射，即使两个光源同时打开也不能保证相遇的两光波一定是恒定相位差。一定要用一分为二的方法获得相干光，所以，双缝干涉实验需要在双缝前再加一条单缝。‎ ‎[答案]　　不能 ‎[对点训练]‎ ‎10．某同学在做“用双缝干涉测量光的波长”的实验中，实验装置如图甲所示。‎ ‎(1)某同学经过粗略的调试后，出现了干涉图样，但不够清晰，以下调节方法正确的是________。‎ A．旋转测量头　　　　　　 B．上下拨动金属控杆 C．左右拨动金属控杆 D．前后拨动金属控杆 ‎(2)该同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现里面的亮条纹与分划板竖线未对齐。如图乙所示，若要使两者对齐，该同学应如何调节________。‎ A．仅左右转动透镜　　B．仅旋转单缝 C．仅旋转双缝 D．仅旋转测量头 ‎(3)选项图中条纹间距表示正确的是________。‎ 解析：(1)根据实验装置金属控杆的特点，该金属控杆只能左右摆动，选项B、D错误，旋转测量头只能旋转目镜中分划板，无法调整干涉图象，选项A错误，左右摆动金属控杆可以调整单缝与双缝的平行程度，以增强干涉图样的清晰程度，选项C正确。‎ ‎(2)旋转测量头能旋转目镜中分划板，所以旋转测量头即可，选项D正确。‎ ‎(3)干涉条纹间距是明条纹与明条纹中心之间的距离，或者暗条纹与暗条纹中心之间的距离，所以选项C、E是条纹间距。‎ 答案：(1)C　(2)D　(3)CE ‎11．(2018·杭州期末)如图所示，是用光传感器做双缝干涉的实验装置。激光光源在铁架台的最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面是光传感器。光传感器是一个小盒，在图中 白色狭长矩形部分，沿矩形的长边分布着许多光敏单元。这个传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后，在荧光屏上显示出来。‎ ‎(1)下列关于本实验的操作与叙述正确的是________(填字母)。‎ A．应该在光源和双缝之间加一个单缝，才能使实验成功 B．下移光源，使之更靠近双缝，则干涉条纹间距减小 C．光源不动，下移双缝，使之更靠近光传感器，则干涉条纹间距减小 D．保持光源和双缝的距离不变，同时下移它们，使它们靠近光传感器，则干涉条纹间距不变 ‎(2)用激光替代普通光源来做本实验，最主要是利用了激光的________(填字母)。‎ A．相干性高　　B．平行度好　　C．宽度高 解析：‎ ‎(1)由于激光已经是相干光源，因此不需要再添加单缝，选项A错误；干涉条纹间距Δx＝，向下移动光源，没有改变双缝到传感器的距离，也没有改变双缝间距，因此干涉条纹间距不变，选项B错误；如果向下移动双缝，则L变小，干涉条纹间距变小，选项C正确；同时向下移动光源和双缝，L变小，所以条纹间距变小，选项D错误。‎ ‎(2)激光是很好的相干波源，是利用了相干性好，选A正确。‎ 答案：(1)C　(2)A 实验十七 探究碰撞中的不变量 ‎[通实验知能]‎ 一、实验原理与操作 ‎[实验原理]‎ 在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否守恒。‎ ‎[实验方案]‎ 方案一　利用气垫导轨完成一维碰撞实验 ‎[实验器材]‎ 气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。‎ ‎[实验步骤]‎ ‎1．测质量：用天平测出滑块质量。‎ ‎2．安装：正确安装好气垫导轨。‎ ‎3．实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量；②改变滑块的初速度大小和方向)。‎ ‎4．探究：一维碰撞中的不变量。‎ ‎[数据处理]‎ ‎1．滑块速度的测量：v＝，式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。‎ ‎2．探究表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。‎ 方案二　利用等长摆球完成一维碰撞实验 ‎[实验器材]‎ 带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。‎ ‎[实验步骤]‎ ‎1．测质量：用天平测出两小球的质量m1、m2。‎ ‎2．安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。‎ ‎3．实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。‎ ‎4．测速度：可以测量小球被拉起的角度，从而算出碰撞前对应小球的速度，测量碰撞后小球摆起的角度，算出碰撞后对应小球的速度。‎ ‎5．改变条件：改变碰撞条件，重复实验。‎ ‎6．探究：一维碰撞中的不变量。‎ ‎[数据处理]‎ ‎1．摆球速度的测量：v＝，式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度，h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。‎ ‎2．探究表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。‎ 方案三　利用两辆小车完成一维碰撞实验 ‎[实验器材]‎ 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。‎ ‎[实验步骤]‎ ‎1．测质量：用天平测出两小车的质量。‎ ‎2．安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。‎ ‎3．实验：接通电源，让小车A运动，小车B静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两小车连接成一个整体运动。‎ ‎4．测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝算出速度。‎ ‎5．改变条件：改变碰撞条件，重复实验。‎ ‎6．探究：一维碰撞中的不变量。‎ ‎[数据处理]‎ ‎1．小车速度的测量：v＝，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量，Δt为小车经过Δx的时间，可由打点间隔算出。‎ ‎2．探究表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。‎ 方案四　利用斜槽滚球探究碰撞中的不变量 ‎[实验器材]‎ 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。‎ ‎[实验步骤]‎ ‎1．测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球。‎ ‎2．安装：按照如图所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。‎ ‎3．铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好。记下重垂线所指的位置O。‎ ‎4．放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心P就是小球落点的平均位置。‎ ‎5．碰撞找点：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤4的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N。如图所示。‎ ‎6．探究：一维碰撞中的不变量。‎ ‎7．结束：整理好实验器材放回原处。‎ ‎[数据处理]‎ ‎(1)连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。‎ ‎(2)验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。‎ 二、注意事项与误差分析 ‎1．注意事项 ‎(1)前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。‎ ‎(2)方案提醒 ‎(a)若利用气垫导轨进行验证，调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平。‎ ‎(b)若利用摆球进行验证，两摆球静止时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。‎ ‎(c)若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。‎ ‎(d)若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。‎ ‎(3)探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变。‎ ‎2．误差分析 ‎(1)系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求。‎ ‎①碰撞是否为一维。‎ ‎②实验是否满足动量守恒的条件，如气垫导轨是否水平，两球是否等大，用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。‎ ‎(2)偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。‎ 三、实验结论 满足一定的条件时，发生碰撞的物体系统动量守恒。‎ ‎[研考题考法]‎ 　某同学设计了一个实验：用电磁打点计时器探究碰撞中的不变量。在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。‎ ‎(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)。A为运动的起点，则应选________段来计算A碰前的速度。应选________段来计算A和B碰后的共同速度(以上两空选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。‎ ‎(2)已测得小车A的质量m1＝0.4 kg，小车B的质量为m2＝0.2 kg，则碰前两小车的总动量为__________kg·m/s，碰后两小车的总动量为__________kg·m/s。‎ ‎[解析]　(1)从分析纸带上打点的情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况，应选用BC段计算小车A碰前的速度。从CD段打点的情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度。‎ ‎(2)小车A在碰撞前速度 v0＝＝ m/s＝1.050 m/s 碰前两小车的总动量即为小车A在碰撞前的动量 p0＝m1v0＝0.4×1.050 kg·m/s＝0.420 kg·m/s 碰撞后A、B的共同速度 v＝＝ m/s＝0.695 m/s 碰撞后A、B的总动量p＝(m1＋m2)v＝(0.2＋0.4)×0.695 kg·m/s＝0.417 kg·m/s。‎ ‎[答案]　 (1)BC　 DE　 (2)0.420　 0.417‎ ‎[对点训练]‎ ‎12．(2018·浙江桐乡一中模拟)用如图所示装置做“探究碰撞中的不变量”实验，下列说法正确的是________(多选)。‎ A．在实验前，必须把长木板的一端垫高，使A能拖着纸带匀速下行 B．A、B两辆小车的质量必须相等 C．A、B碰撞后必须保证A、B以共同速度一起运动 D．小车A必须从紧靠打点计时器的位置无初速释放 解析：在实验前，需平衡摩擦力，选项A正确；A、B两辆小车的质量无特殊要求，选项B错误；A、B碰撞后必须保证A、B以共同速度一起运动，选项C正确；小车A在手推动下开始运动，选项D错误。‎ 答案：AC ‎13.如图是用来探究碰撞中不变量的实验装置，弹性球1用细线悬挂于O点，O点下方桌子的边沿有一竖直立柱。实验时，调节悬点，使弹性球1静止时恰与立柱上的球2接触且两球等高。将球1拉到A点，并使之静止，同时把球2放在立柱上。释放球1，当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞，碰后球1向左最远可摆到B点，球2落到水平地面上的C点。测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒。现已测出A点离水平桌面的距离为a、B点离水平桌面的距离为b，C点与桌子边沿间的水平距离为c。此外，‎ ‎(1)还需要测量的量是______________、______________和________________。‎ ‎(2)根据测量的数据，该实验中动量守恒的表达式为______________。(忽略小球的大小)‎ 解析：(1)要验证动量守恒必须知道两球碰撞前后的动量变化，根据弹性球1碰撞前后的高度a和b，由机械能守恒可以求出碰撞前后的速度，故只要再测量弹性球1的质量m1，就能求出弹性球1的动量变化；根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面高H就可以求出弹性球2碰撞前后的速度变化，故只要测量弹性球2的质量和立柱高h、桌面高H就能求出弹性球2的动量变化。‎ ‎(2)根据(1)的解析可以写出动量守恒的方程 ‎2m1＝2m1＋m2。‎ 答案：(1)弹性球1、2的质量m1、m2　立柱高h　桌面高H ‎(2)2m1＝2m1＋m2