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专题分层突破练18　光学与热学实验
1.(2025无锡市模拟)在“探究气体等温变化的规律”的实验中,实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是　　　　。
A.把柱塞快速地向下压
B.把柱塞缓慢地向上拉
C.在橡胶套处接另一注射器,快速推动该注射器柱塞
D.在橡胶套处接另一注射器,缓慢推动该注射器柱塞
答案 B
解析 把柱塞快速地向下压,外界对气体做功,气体和外界没有热量交换,气体的内能增加,温度升高,不是等温变化,选项A错误;把柱塞缓慢地向上拉,气体温度总和大气温度相同,发生等温变化,选项B正确;在橡胶套处接另一注射器,推动注射器时,原注射器内气体的质量变化,选项C、D错误。
2.(2025东莞市模拟)某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率,具体步骤如下:
①平铺白纸,用铅笔画两条互相垂直的直线AA'和BB',交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴AA',并使其圆心位于O点,画出玻璃砖的半圆弧轮廓线,如图甲所示。
甲
②将一细激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃砖,记录折射光线与半圆弧的交点M。
③拿走玻璃砖,标记CO光线与半圆弧的交点P。
乙
④分别过M、P作BB'的垂线MM'、PP',M'、P'是垂足,并用刻度尺分别测量MM'、PP'的长度x和y。
⑤改变入射角,重复步骤②③④,得到多组x和y的数据。根据这些数据作出y-x图像,如图乙所示。
(1)关于该实验,下列说法正确的是　　　　(单选,填标号)。
A.入射角越小,误差越小
B.激光的平行度好,比用插针法测量更有利于减小误差
C.选择圆心O点作为入射点,是因为此处的折射现象最明显
(2)根据y-x图像,可得玻璃砖的折射率为　　　(保留三位有效数字)。
(3)若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径,则折射率的测量结果　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
答案 (1)B　(2)1.58　(3)不变
解析 本题考查测介质折射率的数据处理和误差分析。
(1)入射角适当即可,不能太小,入射角太小,导致折射角太小,测量的误差会变大,故A错误;激光的平行度好,比用插针法测量更有利于减小误差,故B正确;相同的材料在各点的折射效果都一样,故C错误。
(2)设玻璃砖的半径为R,根据几何关系可得入射角的正弦值为sin i=
折射角的正弦值为sin r=,折射率n=,可知y-x图像的斜率大小等于折射率,即n=≈1.58。
(3)根据(2)中数据处理可知,若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径,则折射率的测量结果不变。
3.(2025海口模拟)在“用双缝干涉测量光的波长”实验中,实验装置如图甲所示。
甲
乙
(1)手轮上示数如图乙,则此读数为　　　　 mm。
(2)下列说法正确的是　　　　(填标号)。
A.实验中必须用拨杆来调整单缝和双缝,使单缝和双缝相互平行
B.实验中还需测出单缝到光屏的距离
C.将单缝向双缝移动一小段距离后,其他条件不变,干涉条纹间距变大
D.若将红色滤光片换成绿色滤光片,则相邻两亮条纹中心的距离将减小
(3)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1.20 m,第1条暗条纹中心到第4条暗条纹中心之间的距离为7.560 mm。则所测单色光的波长为　　　 nm(结果保留3位有效数字)。
(4)若某同学通过目镜,看到如图丙的情形。由于条纹清晰,他没有再进一步进行调节,而是直接进行测量,并根据公式算出波长,则测量得到的波长和准确值相比　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
丙
答案 (1)0.642(0.641~0.643均可)
(2)AD
(3)630
(4)偏大
解析 (1)手轮上的读数为0.5 mm+14.2×0.01 mm=0.642 mm(由于螺旋测微器的读数最后一位要估读,所以0.641~0.643均可)。
(2)实验中要使单缝与双缝相互平行,必须用拨杆来调整单缝和双缝, A正确;实验中需要测量双缝与光屏的距离,不需要测单缝与光屏的距离,B错误;双缝干涉条纹间距公式Δx=λ中l是双缝到屏的距离,d是双缝之间的距离,所以干涉条纹的间距Δx与单缝到双缝的距离无关,C错误;红光的波长大于绿光的波长,所以将红色滤光片换成绿色滤光片,则相邻两亮条纹中心的距离将减小,D正确。
(3)相邻两条亮条纹间距Δx= m=2.52×10-3 m,根据双缝干涉条纹间距公式Δx=λ,可得该单色光的波长为λ=·Δx=×2.52×10-3 m=0.630×10-6 m=630 nm。
(4)如题图丙的情形,测出的Δx比实际值偏大,根据公式算出波长,测量得到的波长和准确值相比偏大。
4.(2025黑吉辽蒙联考模拟)微量累积法是物理学中经常用到的研究物理问题的方法,如“油膜法估测油酸分子的大小”实验中,就用到了这种方法。该实验的实验步骤如下:
a.用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内每增加一定体积时的滴数,由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积。
b.往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水。待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上。
c.用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形状稳定。
d.将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。
e.将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上,计算出油膜的面积,根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小。(以下计算中π取3.14)
(1)将1 mL的油酸溶于酒精,制成1 000 mL的油酸酒精溶液;测得1 mL的油酸酒精溶液有50滴。现取1滴该油酸酒精溶液滴在水面上,测得所形成的油膜的面积是200 cm2。由此估算出油酸分子的直径为　　　　 m(结果保留2位有效数字);
(2)1滴该油酸酒精溶液含有油酸分子个数的数量级为　　　个(如:碳原子质量为1.992×10-26 kg,其质量的数量级为10-26 kg);
(3)取阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol-1,则油酸的摩尔体积约为　　　　 m3/mol(结果保留2位有效数字)。
答案 (1)1.0×10-9
(2)1016
(3)3.2×10-4
解析 (1)根据题意,一滴油酸酒精溶液中油酸的体积V= mL=2×10-5 mL,估算出油酸分子的直径d= m=1.0×10-9 m;
(2)每个油酸分子的体积V0=×3.14× m3≈5.2×10-28 m3,一滴该油酸酒精溶液含有油酸分子个数N==3.8×1016,所以数量级约为1016;
(3)一滴该油酸酒精溶液含有油酸的物质的量n= mol=6.3×10-8 mol,油酸的摩尔体积Vm=×V=×2×10-11 m3/mol=3.2×10-4 m3/mol。
5.(2025黑吉辽蒙联考)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作出法线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P1、P2;
③在玻璃砖的另一侧先后插上大头针P3和 P4,位置如图甲所示。
(1)在步骤③中,插大头针P4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,P3、P4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=d,=x1,=x2,该玻璃砖的折射率可以表示为n=　　　　　(结果用d、x1、x2表示)。
甲
乙
(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“近”)一些比较好。
答案 (1)P1、P2的像和P3
(2)
(3)远
解析 (1)确定P4大头针位置的方法是插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像。
(2)设∠AON=i,∠N'OE=r,
由折射定律可得n=,由题意可得sin i=,sin r=,解得n=。
(3)直线c离直线b的距离应适当远一些,这样可减小测量时的偶然误差,测量会比较准确。
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