2020届二轮复习专题九第18讲　热学、光学、机械振动实验课件（47张）（山东专用） 47页

第 18 讲 热学、光学、机械振动实验 总纲目录 考点一 热学实验分析 考点二 用单摆测量重力加速度的大小 考点三 光学实验 考点一　热学实验分析 [2019课标Ⅲ,33(1),5分]用油膜法估算分子大小的实验中,首先需将纯油酸稀 释成一定浓度的油酸酒精溶液,稀释的目的是 　　　　　　　　　　　　     　　     。实验中为了测量出一滴已知浓度的油酸酒精溶液中纯油酸的体积, 可以 　　　　　　　　　　　　　　　     。为得到油酸分子的直径,还需测 量的物理量是 　　　     。 答案　 使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜　把油酸酒精溶 液一滴一滴地滴入小量筒中,测出1 mL油酸酒精溶液的滴数,得到一滴溶液 中纯油酸的体积　单分子层油膜的面积 解析 　本题考查了用油膜法估算分子大小的实验内容,突出了实验的操作、 分析、探究能力的考查,体现了核心素养中科学探究、科学态度要素,体现了 劳动实践、科学探索的价值观。 用油膜法估算分子大小,是用油膜厚度代表油酸分子的直径,所以要使油酸分 子在水面上形成单分子层油膜;因为一滴溶液的体积很小,不能准确测量,故 需测量较多滴的油酸酒精溶液的总体积,再除以滴数得到单滴溶液的体积,进 而得到一滴溶液中纯油酸的体积;因为本题中油酸体积等于厚度乘面积,故测 厚度不仅需要测量一滴溶液的体积,还需要测量单分子层油膜的面积。 1.油膜法估测分子的大小数据处理 (1)将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,算出油酸薄膜的面积 S 。方 法是计算轮廓范围内正方形的个数,不足半个的舍去,多于半个的算一个,把 正方形的个数乘以单个正方形的面积就是油膜的面积。 (2)根据油酸酒精溶液的浓度,算出一滴溶液中纯油酸的体积 V ,利用一滴溶液 中纯油酸的体积 V 和薄膜的面积 S ,算出油酸薄膜的厚度 d =   ,即油酸分子的直 径。看分子直径数量级(单位为m)是否为10 -10 ,若不是10 -10 需重做实验。 2.探究气体压强与体积的关系数据处理 (1)空气柱的体积 V 等于空气柱长度 L 与柱塞的横截面积 S 的乘积。 (2)以压强 p 为纵坐标,以体积 V 的倒数   为横坐标作出 p -   图像。 1.(2019河南郑州质量预测)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,将一 滴油酸酒精溶液滴入事先洒有均匀痱子粉的水槽中,待油膜充分散开后,在玻 璃板上描出油膜的轮廓,随后把玻璃板放在坐标纸上,其形状如图所示。坐标 纸上正方形小方格的边长为10 mm,该油膜的面积是 　　　     m 2 ;已知油酸酒 精溶液中油酸浓度为0.2%,400滴油酸酒精溶液滴入量筒 后的体积是1.2 mL,则油酸分子的直径为 　　     m。(结果 均保留两位有效数字) 解析　 在围成的方格中,不足半格舍去,多于半个的算一个,共有80个方格,故 油酸膜的面积为 S =80 × 1 × 1 cm 2 =80 cm 2 =8.0 × 10 -3 m 2 ;每滴油酸酒精溶液中含有 油酸的体积 V =   × 0.2% mL=6 × 10 -12 m 3 ,根据 d =   =7.5 × 10 -10 m。 答案 　8.0 × 10 -3 　7.5 × 10 -10 2.图甲是一种研究气球的体积和压强的变化规律的装置,将气球、压强传感 器和大型注射器用T形管连通。初始时认为气球内无空气,注射器内气体体 积为 V 0 ,压强为 p 0 。T形管与传感器内少量气体体积可忽略不计。缓慢推动注 射器,保持温度不变,装置密封良好。   (1)该装置可用于验证 　　　     定律。(填写气体实验定律名称) (2)将注射器内气体部分推入气球,读出此时注射器内剩余气体的体积为   V 0 , 压强传感器读数为 p 1 ,则此时气球体积为 　　　     。 (3)继续推动活塞,多次记录注射器内剩余气体的体积及对应的压强,计算出 对应的气球体积,得到如图乙所示的“气球体积和压强”关系图。根据该图 像估算:若初始时注射器内仅有体积为0.5 V 0 、压强为 p 0 的气体。当气体全部 压入气球后,气球内气体的压强将变为 　　　     p 0 。(结果保留三位小数) 答案 　(1)玻意耳　(2)   -   　(3)1.027 解析 　(1)用DIS研究在温度不变时,气体的压强随温度的变化情况,所以该装 置可用于验证玻意耳定律。 (2)将注射器内气体部分推入气球,压强传感器读数为 p 1 ,根据玻意耳定律得 p 1 V 1 = p 0 V 0 ,所以 V 1 =   ;读出此时注射器内剩余气体的体积为   V 0 ,所以此时气 球体积为 V 1 -   V 0 =   -   。 (3)由题可知,若初始时注射器内仅有体积为0.5 V 0 、压强为 p 0 的气体,气体全部 压入气球后气球内气体的压强与初始时注射器内有体积为 V 0 、压强为 p 0 的 气体中的   气体压入气球的压强相等,结合题图乙可知,剩余的气体的体积约 为0.5 V 0 ,压强略大于 p 0 ,所以剩余的气体的体积略小于0.5 V 0 。由图可以读出压 强约为1.027 p 0 。 考点二　用单摆测量重力加速度的大小 [2015天津理综,9(2)]某同学利用单摆测量重力加速度。 (1)为了使测量误差尽量小,下列说法正确的是 　　　　　　　     。 A.组装单摆须选用密度和直径都较小的摆球 B.组装单摆须选用轻且不易伸长的细线 C.实验时须使摆球在同一竖直面内摆动 D.摆长一定的情况下,摆的振幅尽量大 (2)如图所示,在物理支架的竖直立柱上固定有摆长约1 m的单摆。实验时,由 于仅有量程为20 cm、精度为1 mm的钢板刻度尺,于是他先使摆球自然下垂, 在竖直立柱上与摆球最下端处于同一水平面的位置做一标记点,测出单摆的 周期 T 1 ;然后保持悬点位置不变,设法将摆长缩短一些,再次使摆球自然下垂, 用同样方法在竖直立柱上做另一标记点,并测出单摆的周 期 T 2 ;最后用钢板刻度尺量出竖直立柱上两标记点之间的 距离Δ L 。用上述测量结果,写出重力加速度的表达式 g = 　　　     。 答案　 (1)BC　(2)   解析 　(1)在利用单摆测重力加速度实验中,为了使测量误差尽量小,须选用 密度大、半径小的摆球和不易伸长的细线,摆球须在同一竖直面内摆动,摆长 一定时,振幅尽量小些,以使其满足简谐运动条件,故选B、C。 (2)设第一次摆长为 L ,第二次摆长为 L -Δ L ,则 T 1 =2π   , T 2 =2π   ,联立解得 g =   。 1. 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 求出当地的重力加速度 g 的值。 2.数据处理 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   ,然后利用公式 g =   求重力加速度。 (2)图像法:由单摆周期公式不难推出: l =   T 2 ,因此,分别测出一系列摆长 l 对 应的周期 T ,作 l - T 2 的图像,图像应是一条通过原点的直线,如图所示,求出图线 的斜率 k =   ,即可利用 g =4π 2 k 求重力加速度。 1.(2019江苏扬州检测)在“探究单摆的周期与摆长的关系”的实验中,摆球 在垂直纸面的平面内摆动,如图甲所示,在摆球运动最低点的左、右两侧分别 放置一激光光源与光敏电阻。光敏电阻(光照时电阻比较小)与某一自动记 录仪相连,该仪器显示的光敏电阻阻值 R 随时间 t 的变化图线如图乙所示,则该 单摆的振动周期为 　　　     。若保持悬点到小球顶点的绳长不变,改用直径 是原小球直径2倍的另一小球进行实验,则该单摆的周期将 　　　     (选填 “变大”“不变”或“变小”)。     解析 　单摆在一个周期内两次经过平衡位置,每次经过平衡位置,单摆会挡住 细激光束,从 R - t 图线可知周期为2 t 0 。摆长等于摆线的长度加上小球的半径, 根据单摆的周期公式 T =2π   ,摆长变大,所以周期变大。 答案 　2 t 0 　变大 2.(2019山东临沂月考)(1)在利用单摆测量重力加速度的实验中。若测得的重 力加速度偏大,可能的原因是   (　　) A.摆球质量过大 B.单摆振动时振幅较小 C.测量摆长时,只考虑了线长,忽略了摆球的半径 D.测量周期时,把 n 个全振动误认为( n +1)个全振动,使周期偏小 E.测量周期时,把 n 个全振动误认为( n -1)个全振动,使周期偏大 (2)若单摆是一个秒摆(摆长 l =1 m),将此摆移到月球上   ,其周期是      　　     。 (3)实验中停表的读数如图,为 　　　     。   解析 　(1)由单摆周期公式 T =2π   可知,重力加速度 g =   ,进而知重力加速 度与摆球质量无关,选项A错误;重力加速度与单摆振动的振幅无关,选项B错 误;测量摆长时,若只考虑了线长,忽略了摆球的半径,摆长 l 偏小,由 g =   可 知,所测重力加速度偏小,选项C错误;测量周期时,把 n 个全振动误认为( n +1)个 全振动,使周期偏小,由 g =   可知,所测重力加速度偏大,选项D正确;测量周 期时,把 n 个全振动误认为( n -1)个全振动,使周期偏大,由 g =   可知,所测重力 加速度偏小,选项E错误。 答案 　(1)D　(2)2   s　(3)70.8 s (2)秒摆在地球上的周期 T =2π   =2 s,将秒摆移到月球上,其周期 T '=2π   =   T =2   s。 (3)由题图可知,分针示数为1 min=60 s,秒针示数为10.8 s,则停表读数为60 s+ 10.8 s=70.8 s。 考点三　光学实验 1.[2019天津理综,9(2)]某小组做测定玻璃的折射率实验,所用器材有:玻璃砖, 大头针,刻度尺,圆规,笔,白纸。 ①下列哪些措施能够提高实验准确程度 　　　     。 A.选用两光学表面间距大的玻璃砖 B.选用两光学表面平行的玻璃砖 C.选用粗的大头针完成实验 D.插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些 ②该小组用同一套器材完成了四次实验 , 记录的玻璃砖界线和四枚大头针扎 下的孔洞如图所示 , 其中实验操作正确的是 　　　     。 ③该小组选取了操作正确的实验记录,在白纸上画出光线的径迹,以入射点 O 为圆心作圆,与入射光线、折射光线分别交于 A 、 B 点,再过 A 、 B 点作法线 NN ' 的垂线,垂足分别为 C 、 D 点,如图所示,则玻璃的折射率 n = 　　　     。(用图中 线段的字母表示) 答案 　①AD　②D　③   解析 　本实验考查光学中测定玻璃折射率的操作方法、误差分析、数据处 理,培养考生的实验能力,体现实验探究中证据、解释的素养要素。 ①所用玻璃砖两表面是否平行,与提高实验精确度无关,故B错。选用细的大 头针有利于提高精确度,故C错。所用玻璃砖两表面及插在玻璃砖同侧的两 枚大头针的间距尽量大些,可以减小测量的相对误差,故A、D均正确。 ②利用平行玻璃砖做本实验时,入射光线进入玻璃砖后折射光线靠近法线,而 穿出玻璃砖的光线与入射光线平行,故根据孔洞作出的两条光线应平行且下 面的光线应向左错开一小段距离。故A、B、C错误,D正确。 ③由折射率的定义式可知, n =   =   =   。 2.[2019课标Ⅱ,34(2),10分]某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实 验时,接通电源使光源正常发光;调整光路,使得从目镜中可以观察到干涉条 纹。回答下列问题:   (ⅰ)若想增加从目镜中观察到的条纹个数,该同学可 　　　     ; A.将单缝向双缝靠近 B.将屏向靠近双缝的方向移动 C.将屏向远离双缝的方向移动 D.使用间距更小的双缝 (ⅱ)若双缝的间距为 d ,屏与双缝间的距离为 l ,测得第1条暗条纹到第 n 条暗条 纹之间的距离为Δ x ,则单色光的波长 λ = 　　　     ; (ⅲ)某次测量时,选用的双缝的间距为0.300 mm,测得屏与双缝间的距离为1.2 0 m,第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56 mm。则所测单色光的波 长为 　　　     nm(结果保留3位有效数字)。 答案 　(ⅰ)B　(ⅱ)   　(ⅲ)630 解析　 本题是“利用双缝干涉测光的波长”实验。考查了学生的实验能力, 培养了学生实事求是的科学态度,建立了结果来源于实验的价值观。 (ⅰ)增加目镜中观察到的条纹个数必须要减小条纹间距,由公式Δ x =   λ 可知B 正确。 (ⅱ)由于第1条暗条纹到第 n 条暗条纹之间的距离为Δ x ,则相邻两条暗条纹的 中心间距Δ x '=   ,单色光的波长 λ =   =   。 (ⅲ) λ =   =   m=6.30 × 10 -7 m=630 nm。 3.(多选)[2017课标Ⅱ,34(1),5分]在双缝干涉实验中,用绿色激光照射在双缝 上,在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的 间距,可选用的方法是       (　 ACD 　) A.改用红色激光 B.改用蓝色激光 C.减小双缝间距 D.将屏幕向远离双缝的位置移动 E.将光源向远离双缝的位置移动 答案     ACD　本题考查双缝干涉,考查学生的理解能力。 由相邻两亮条纹间距Δ x =   λ 可知,若要增大两相邻亮条纹的间距,应增大双缝 与光屏间距离 L 、减小双缝间距 d 或增大照射光波长 λ ,而 λ 红 > λ 绿 > λ 蓝 ,故选 项A、C、D正确。 1.测定玻璃折射率实验数据处理 ①计算法:用量角器测量入射角 θ 1 和折射角 θ 2 ,并查出其正弦值sin θ 1 和sin θ 2 。 算出不同入射角时的   ,并取平均值。 ②作sin θ 1 -sin θ 2 图像:改变不同的入射角 θ 1 ,测出不同的折射角 θ 2 ,作sin θ 1 -sin θ 2 的图像,由 n =   可知图像应是过原点的直线,如图所示,其斜率为折射率。 ③“单位圆”法确定sin θ 1 、sin θ 2 ,计算折射率 n 。 以入射点 O 为圆心,以一定的长度 R 为半径画圆,交入射光线 AO 于 E 点,交折射 光线 OO '于 E '点,过 E 作 NN '的垂线 EH ,过 E '作 NN '的垂线 E ' H ',如图所示,sin θ 1 =   ,sin θ 2 =   , OE = OE '= R ,则 n =   =   。只要用刻度尺量出 EH 、 E ' H '的 长度就可以求出 n 。   2.用双缝干涉测量光的波长 (1)实验原理 如图所示,光源发出的光经过滤光片后变成单色光,再经过单缝 S 时发生衍射, 这时单缝 S 相当于一个单色光源,衍射光波同时到达双缝 S 1 和 S 2 之后, S 1 、 S 2 双 缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源,相邻两条亮(暗)条纹间的距离 Δ x 与入射光波长 λ ,双缝 S 1 、 S 2 间距离 d 及双缝与屏的距离 l 有关,其关系式为:Δ x =   λ ,因此,只要测出Δ x 、 d 、 l 即可测出波长 λ 。   两条相邻亮(暗)条纹间的距离Δ x 用测量头测出。测量头由分划板、目镜、 手轮等构成,如图所示。   (2)数据处理 ①条纹间距的计算:转动测量头的手轮,分划板中心刻线在第1条亮条纹中央 时读数为 a 1 ,在第 n 条亮条纹中央时读数为 a n ,则Δ x =   。 ②根据条纹间距与波长的关系Δ x =   λ 得 λ =   Δ x ,其中 d 为双缝间距, l 为双缝到 光屏的距离。 ③测量时需测量多组数据,求 λ 的平均值。 1.现有毛玻璃屏 A 、双缝 B 、白光光源 C 、单缝 D 和透红光的滤光片 E 等光学 元件,要把它们放在如图甲所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红 光的波长。   甲   (1)将白光光源 C 放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各 光学元件的字母排列最佳顺序应为 C 、 　　　     、 A 。 (2)本实验的步骤有: ①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照 亮; ②按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的 轴线上; ③用米尺测量双缝到屏的距离; ④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮条纹间的距离。 在操作步骤②时还应注意 　　　　　　　　　　　     和 　　　　　　　     　　　     。 (3) 将测量头的分划板中心刻线与某条亮条纹中心对齐 , 将该亮条纹定为第 1 条亮条纹 , 此时手轮上的示数如图乙所示。然后同方向转动测量头 , 使分划板 中心刻线与第 6 条亮条纹中心对齐 , 记下此时图丙中手轮上的示数为 　　          mm,求得相邻亮条纹的间距Δ x 为 　　　     mm。 (4)已知双缝间距 d 为2.0 × 10 -4 m,测得双缝到屏的距离 l =0.700 m,由计算式 λ =      　　     ,求得所测红光波长为 　　　     nm。 解析 　(1)通过滤光片获得单色光,通过单缝获得线光源,通过双缝获得相干 光,故最佳顺序为 C 、 E 、 D 、 B 、 A 。 (2)单缝和双缝间距为5~10 cm;使单缝与双缝相互平行。 (3)题图丙中固定刻度读数为13.5 mm,可动刻度读数为37.0 × 0.01 mm,二者相 加为13.870 mm,题图乙中的读数为2.320 mm,所以Δ x =   mm= 2.310 mm。 (4)根据Δ x =   λ ,得 λ =   Δ x ,代入数据得 λ =6.6 × 10 2 nm。 答案　 (1) E 、 D 、 B 　(2)见解析　(3)13.870　2.310　(4)   Δ x 　6.6 × 10 2 2.(2019山东威海模拟)如图a所示,在测量玻璃折射率的实验中,两位同学先在 白纸上放好截面是正三角形 ABC 的三棱镜,并确定 AB 和 AC 界面的位置。然 后在棱镜的左侧画出一条直线,并在线上竖直插上两枚大头针 P 1 和 P 2 ,再从棱 镜的右侧观察 P 1 和 P 2 的像。   图a 图 b (1)此后正确的操作步骤是 　　　     。 A.插上大头针 P 3 ,使 P 3 挡住 P 2 的像 B.插上大头针 P 3 ,使 P 3 挡住 P 1 、 P 2 的像 C.插上大头针 P 4 ,使 P 4 挡住 P 3 的像 D.插上大头针 P 4 ,使 P 4 挡住 P 3 和 P 2 、 P 1 的像 (2)正确完成上述操作后,在纸上标出大头针 P 3 、 P 4 的位置(图b中已标出)。为 测量该种玻璃的折射率,两位同学分别用圆规及刻度尺作出了完整光路和若 干条辅助线,如图甲、乙所示。能够仅通过测量 ED 、 FG 的长度便可正确计 算出折射率的是图 　　　     (填“甲”或“乙”),所测玻璃折射率的表达式 n = 　　　     (用代表线段长度的字母 ED 、 FG 表示)。 解析 　(1)此后正确的操作步骤是:插上大头针 P 3 ,使 P 3 挡住 P 1 、 P 2 的像;插上大 头针 P 4 ,使 P 4 挡住 P 1 、 P 2 的像和 P 3 ,选项B、D正确。 (2)能够仅通过测量 ED 、 FG 的长度便可正确计算出折射率的是题图乙,因为 n =   =   =   。 答案 　(1)BD　(2)乙