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专题 22 光、热实验
测量玻璃的折射率
光、
热 用双缝干涉实验测光的波长
实
验 用油膜法估测油酸分子的大小
探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
一、测量玻璃的折射率
1、实验原理:如图所示，当光线AO以一定的入射角θ穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟
1
sinθ
n= 1
sinθ
入射光线AO对应的出射光线O′B，从而画出折射光线OO′，求出折射角θ，再根据 2 或
2
PN
n=
QN'
计算出玻璃的折射率．
2、实验器材：木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔．
3、实验过程
①用图钉把白纸固定在木板上．
②在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O点的法线MM′.
③画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P、P两根大头针．
1 2
④在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线
bb′.⑤眼睛在bb′的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向，使P的像被P的像挡住，然后
1 2
在眼睛这一侧插上大头针P，使P挡住P、P的像，再插上P，使P挡住P、P的像和P.
3 3 1 2 4 4 1 2 3
⑥移去玻璃砖，拔去大头针，由大头针P、P的针孔位置确定出射光线O′B及出射点O′，连接
3 4
O、O′得到线段OO′.
⑦用量角器测量入射角θ和折射角θ，并查出其正弦值sin θ和sin θ.
1 2 1 2
⑧改变入射角，重复实验．
4、数据处理
①计算法：用量角器测量入射角θ和折射角θ，并查出其正弦值sin θ和sin θ.算出不同
1 2 1 2
sinθ
1
sinθ
入射角时的 2 ，并取平均值．
sinθ −sinθ
②图像法：改变不同的入射角θ，测出不同的折射角θ，作 1 2的图像，由
1 2
sinθ
n= 1
sinθ
2 可知图像应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率．
EH
sinθ =
1 OE
③“单位圆”法：以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，如图所示， ，
sinθ =
E'H'
n=
sinθ
1 =
EH
2 OE' ，OE=O E' =R，则 sinθ 2 E' H' .只要用刻度尺量出EH、E'H' 的长度
就可以求出n.
5、注意事项
①实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P和P之间、P和P之间、P与O、P与O′之间
1 2 3 4 2 3
距离要稍大一些．
②入射角θ不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)．
1
③操作时手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，也不能把玻璃砖界面当尺子画界线．
④实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变．
⑤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．
二、用双缝干涉实验测光的波长1、实验原理：单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)条纹间距Δx
d
λ= Δx
l
与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光波长λ之间满足 .
2、实验过程
①观察双缝干涉图样
Ⅰ、将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示．
Ⅱ、接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．
Ⅲ、调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏．
Ⅳ、安装单缝和双缝，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上，使单缝与双缝平行，二者间距
约为5～10 cm.
Ⅴ、在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹．
②测定单色光的波长
Ⅰ、安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．
Ⅱ、使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数，将该条纹记为第 1
条亮条纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数，将该条纹记
为第n条亮条纹．
Ⅲ、用刻度尺测量双缝与光屏间距离l(d是已知的)．
Ⅳ、改变双缝间的距离d，双缝到屏的距离l，重复测量．
3、数据处理
a −a
n 1
Δx=
①条纹间距
n−1
.相邻两条亮条纹间的距离
Δx
需用测量头测出。测量头通常有两种
（图 4.4-2），但都由分划板、目镜、手轮等构成转动手轮，分划板会左右移动。测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐（图 4.4-
3），记下此时手轮上的读数。然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手
Δx
轮上的读数。两次读数之差表示这两个条纹间的距离 。
为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。例如，可测 n个
a −a
n 1
Δx=
亮条纹间的距离a，再求出相邻两个亮条纹间的距离
n−1
。
d
λ= Δx
l
②波长 .
③计算多组数据，求λ的平均值．
4、注意事项
①安装时，注意使光源、透镜、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、
双缝平行且间距适当．
②光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近．
③调节的基本依据：照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共
轴；干涉条纹不清晰，一般原因是单缝与双缝不平行．
技巧点拨：用光传感器做双缝干涉的实验：是实验装置图（实验在暗室中进行）。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。这个实验的光路是自上而下的。图中带有白色狭长
矩形的小盒是光传感器，沿矩形的长边分布着许多光敏单元。传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算
机处理后，在显示器上显示出来。根据显示器上干涉图像的条纹间距，可以算出光的波长。三、用油膜法估测油酸分子的大小
1、实验原理：为了估测油酸分子的大小，我们把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜
是由单层油酸分子（C H COOH）中的烃基 C H - 组成的。 尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间
17 33 17 33
也存在着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理，并认为它们紧密排布（图 1.2-1）。测出
油膜的厚度d，它就相当于分子的直径。
实验中，为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，我们需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中。
这样的油酸酒精溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，从而获得纯油酸形成的油膜。
这里可以粗略地认为，油膜的厚度等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与它在水面上摊开的面积
V
d=
S
S之比，即 。
2、实验器材：盛水浅盘、注射器(或滴管)、容量瓶、坐标纸、玻璃板、爽身粉、油酸酒精溶液、量
筒、彩笔．
3、实验过程
①配制油酸酒精溶液，取纯油酸1 mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直
到液面达到500 mL刻度线为止．
②用注射器(或滴管)将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积V时的
n
滴数n，算出每滴油酸酒精溶液的体积V.
0
③在浅盘里盛上约2 cm深的水，一只手捏住盛有爽身粉的布袋，另一只手拍打，将爽身粉均匀地
撒在水面上（图1.2-3甲）。然后，用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液（图1.2-3乙），油酸立即在
水面散开，形成一块油膜。油膜上没有爽身粉，可以清楚地看出它的轮廓（图 1.2-3丙）。待油膜形状稳
定后，将事先准备好的带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下薄膜的形状（图1.2-3丁）④根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，计算轮廓范围内正方形的个数(求面积时以坐标纸
上边长为1 cm的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数)，不足半个的舍去，多于半个的算一个。然后，
把正方形的个数乘单个正方形的面积就得到油膜的面积S．
⑤根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积 V，并代入公式
V
d=
S
，算出油酸薄膜的厚度d.
⑥重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即为油酸分子直径的大小．
4、数据分析
V
d=
S
用1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和该油膜面积S计算出油膜厚度，即油酸分子的直径 ，
大量实验结果表明，尽管所用的测定分子大小的方法不同，测出的结果也有差异，但数量级是一致的。除
了一些有机物质的大分子外，多数分子大小的数量级为10-10m
四、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
1、实验原理：针对气体的研究，我们可以先选定一个热力学系统，
比如一定质量的空气，在温度不变的情况下，测量气体在不同体积时的压
强，再分析气体压强与体积的关系。
利用注射器选取一段空气柱为研究对象，如图2.2-1，注射器下端的
开口有橡胶套，它和柱塞一起把一段空气柱封闭。在实验过程中，一方面
让空气柱内气体的质量不变；另一方面，让空气柱的体积变化不要太快，
保证温度不发生明显的变化。
2、实验器材：注射器、橡胶套、压力表(如图所示)
3、数据获取：空气的压强p可以从仪器上方的压力表读出，空气柱
的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S
的乘积就是它的体积V.把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读出空气柱的长
度与压强的几组数据．3、数据处理：在等温过程中，气体的压强和体积的关系在p－V图像中呈现为双曲线的一支，如图甲
所示．处理实验数据时，要通过变换，即画p－图像，把双曲线变为直线，说明p和V成反比，如图乙所
示．这是科学研究中常用的数据处理的方法，因为一次函数反映的物理规律比较直接，容易得出相关的对
实验研究有用的参数．
4、实验结论
一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比，所以p－V图线是双曲线的
一支，但不同温度下的图线是不同的．如图是一定质量的气体分别在T、T温度下等温变化的p－V图线，
1 2
其中温度较高的是T.
2
5、注意事项
①本实验应用控制变量法，探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程)，气体的压强和体
积的关系．
②为保证等温变化，实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位．同时，改变体积过程应缓慢，
以免影响密闭气体的温度．为保证气体密闭，应在活塞与注射器内壁间涂上润滑油，注射器内外气体的压
强差不宜过大．
