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专题突破卷 20 光学和热学实验专题
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考点 考向 题型分布
光学和热学实 实验1：测量玻璃的折射率 12实验
验专题 实验2：杨氏双缝干涉实验测波长
实验3：油膜法估测分子的直径
实验4：气体实验定律
光学和热学实验专题（12 实验）
1．（2024·广东深圳·模拟预测）某实验小组用插针法确定光路位置做有关光的折射和光的反射实验。
(1)用插针法测玻璃砖的折射率
①以下是如图甲的实验操作，其中不合理或不必要的操作步骤是（填序号）： 。
a．把半圆玻璃砖放在白纸上
b．在白纸上紧贴玻璃砖确定玻璃砖的轮廓
c．在半圆玻璃砖平面的一侧插入大头针 、
d．为使测量准确，尽量增大 、 连线与玻璃砖所成的夹角
e．眼睛在圆弧面一侧透过玻璃砖看大头针，使 挡住
f．左右调整眼睛的观察位置
g．在圆弧面一侧插入大头针 ，使它恰好挡住 、h．在圆弧面一侧插入大头针 ，使它恰好挡住 、 、
i．移去玻璃砖，在白纸上描出光线径迹
j．测量相关角度或长度，计算玻璃砖的折射率
②如图乙所示，某同学在白纸上划线时，由于笔尖与玻璃砖边缘有间距，使得在纸上画出的界面（虚线）
与玻璃砖边缘的实际位置有偏差，其他的实验操作均正确，由此测得玻璃砖的折射率与真实值相比
。（选填“偏大”“偏小”“相同”或“无法确定”）
(2)用插针法验证光的反射定律
一矩形玻璃砖abcd的ab面镀有反射膜，光线从图中下方射向玻璃砖时，将从ab面反射回来，ab面相当于
一块平面镜，现用它验证光的反射定律。下面是某同学制订的实验步骤：
a．把玻璃砖放在白纸上
b．在白纸上紧贴玻璃砖ab面确定平面镜位置
c．在平面镜前方插入大头针 、
d．眼睛通过平面镜看大头针，移动眼睛位置使 挡住
e．在眼睛前插入大头针 ，使它恰好挡平面镜中的 、
f．在眼睛前插入大头针 ，使它恰好挡住 和平面镜中的 、
g．移去玻璃砖，在白纸上描出入射光线和反射光线的径迹
h．作法线，测量反射角和入射角，比较其大小，形成验证结论
以上步骤是否存在不必要的操作？ 。如果有，哪个步骤不必要？ 。（若认为没有则
后一空不必填写。）
【答案】(1) df 偏小
(2) 存在 f
【详解】（1）（1）[1]入射角适当大一些，并非越大越好，故选d；不需要移动眼睛的位置，故选f
[2]如图所示作出的折射光线相比实际折射光线沿逆时针转动了一个角度，所以折射角的测量值大于真实值，而由于玻
璃砖上表面与虚线平行，所以入射角的测量值等于真实值，因此玻璃砖折射率的测量值比真实值偏小。
（2）(2)[1][2]由于 恰好挡平面镜中的 、 ，所以已经可以确定反射光的光路，无需使用 ，故选f。
2．（2024·甘肃平凉·三模）某同学用如图甲所示的双缝干涉实验装置测量光的波长。
(1)关于用双缝干涉实验装置测量光的波长，下列说法正确的是 。（填正确答案标号）
A．调节时应尽量使单缝与双缝在一条直线上且相互垂直
B．将光源由黄光换成蓝光，干涉条纹间距变小
C．将单缝远离双缝一小段距离后，干涉条纹间距变大
D．减小双缝之间的距离，干涉条纹间距变大
(2)已知该装置中双缝间距 ，双缝到光屏的距离 ，在光屏上得到的干涉图样如图乙所示，
分划板在图中A位置时游标卡尺的读数 111.15 mm，在B位置时游标卡尺的读数如图丙所示，则相邻
亮条纹的间距 mm。（结果保留两位有效数字）
(3)由以上所测数据，可以得出形成此干涉图样的单色光的波长为 m。（结果保留两位有效数字）
【答案】(1)BD
(2)0.60
(3)
【详解】（1）A．调节时应尽量使单缝与双缝在一条直线上且相互平行，故A错误；
BCD．根据
将光源由黄光换成蓝光，则波长变小，干涉条纹间距变小；将单缝远离双缝一小段距离后，干涉条纹间距
不变；减小双缝之间的距离，干涉条纹间距变大；故BD正确，C错误。
故选BD。（2）20分度游标卡尺的精确值为 ，由图丙可知B位置时游标卡尺的读数为
则相邻亮条纹的间距为
（3）根据
可得
3．（2024·云南大理·模拟预测）同学们用“插针法”测玻璃的折射率，如图甲所示。
（1）下列说法正确的是 。
A．实验中，可以将玻璃砖界面当尺子画界线
B．为了减小作图误差，大头针 、 和 、 之间的距离应适当大些
C．测梯形玻璃砖、三角形玻璃砖和半圆形玻璃砖的折射率均可用“插针法”
D．若光线的入射角 较大，有可能在 面发生全反射，所以在 一侧就看不到 、 的像
（2）一位同学为了避免笔尖触划玻璃砖的折射面，画出的 比实际向外侧平移了一些（如图乙所示），
其他操作均正确无误，并仍以 和 为折射面画出了光路图，这样测出的折射率将 （填“偏大”、
“偏小”或“不变”）。
（3）一位同学手头有圆规和刻度尺但没有量角器，在完成了光路图以后，以O点为圆心，OA为半径画圆，
交 延长线于C点，过A点和C点作垂直法线的直线，与法线的交点分别为B点和D点，如图丙所示。
用刻度尺测得AB的长度为x，CD的长度为x，则玻璃砖的折射率 （用测量的字母表示）。
1 2【答案】 BC 偏小
【详解】（1）[1]A．实验中，不能将玻璃砖界面当尺子画界线，故A错误；
B．大头针 和 及 和 之间的距离适当大些时，引起的角度误差会减小，故B正确；
C．只要操作正确，任何形状的玻璃砖均可用“插针法”测量折射率，故C正确；
D．由几何知识可知，光线在上表面的折射角等于在下表面的入射角，根据光路可逆原理可知，光线一定
会从下表面射出，折射光线不会在玻璃砖的下表面发生全反射，故D错误。
（2）[2]如图所示
作图得到的光路图和实际光路图相比，入射角没有变化，折射角的测量值偏大，由 知折射率偏小。
（3）[3]由几何关系可知
，
则玻璃砖的折射率为
4．（2024·山东枣庄·三模）如图甲所示，图中阴影部分ABC为透明材料制成的柱形光学元件的横截面，
AC为半径为R的 圆弧，某实验小组为测量该光学元件的折射率，先通过作图确定了圆弧圆心O的位置。
请回答下面问题：(1)实验小组先在O处插一枚大头针 ，然后在线段OB和OC之间某一位置插大头针 ，在BC边右侧任
意位置观察，发现 都无法挡住 ，原因是 ，若要在BC边右侧观察到 挡住 ，应将 向
边方向移动（选填“OB”或“OC”）；
(2)该小组经过讨论，重新设计了实验方案，进行了如下操作：
①在O处插大头针 ，在BC边右侧合适位置插大头针 ，调整观察角度，再插上大头针 ，使 把 和
都挡住；
②画出元件边界，作出图乙所示光路图，以 、 连线与BC边交点 为圆心作圆，分别过圆与直线
和 的交点作BC边的垂线，垂足分别为 、 ；
③用刻度尺测出线段 和 的长度分别为 、 ，则该元件的折射率n= ；
(3)若测得该元件的折射率n=2，在O处固定一点光源，只考虑首次从圆弧AC直接射向AB、BC的光线，
从点光源射向圆弧AC的光中，有一部分不能从AB、BC面直接射出，则这部分光照射到圆弧AC上的弧长
为 。
【答案】(1) 光线发生了全反射 OC
(2)
(3)
【详解】（1）[1][2]发现 都无法挡住 ，原因是光线发生了全反射，应减小入射角，即将 向OC边方向移动。
（2）根据折射定律可知
（3）测得该元件的折射率
n=2
则全反射的临界角为
则
如图所示
若沿OE方向射到AB面上的光线刚好发生全反射，则∠ADF=30°，同理，若沿OG方向射入的光线恰好在
BC面上发生全反射，可得∠CDG=30°，因此∠FDH=30°，据几何关系可得
5．（2024·山东·模拟预测）用双缝干涉测量光的波长的实验装置如图甲所示，仪器有：光具座、光源、单
缝、双缝、滤光片、遮光筒、毛玻璃屏、测量头（图中未画出）等。
(1)如图甲所示安装好仪器，先调整光源的位置，使光源发出的光沿 方向进入遮光筒并照亮光屏；再
放置单缝和双缝，使缝相互 （选填“平行”或“垂直”），再安置好滤光片，通过测量头观察屏上
的单色光的双缝干涉图样。(2)图甲中滤光片的位置是 。（选填“①”、“②”或“③”）
(3)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该条纹记为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图乙
所示。然后同方向转动测量头手轮，使分划板中心刻线与第9条亮纹中心对齐，此时手轮上的示数如丙图
所示，该示数为 mm。
(4)已知双缝间距为 ，测得双缝到屏的距离为 ，则测得该光的波长为 （结果保
留三位有效数字）。
【答案】(1) 轴线 平行
(2)①
(3)15.770
(4)620
【详解】（1）[1][2]要想形成稳定的干涉图样需要光沿遮光筒的轴线进入遮光筒，单缝、双缝需要相互平
行。
（2）滤光片应置于光源和单缝之间，故应置于①位置。
（3）丙图中螺旋测微器读数为
（4）乙图中螺旋测微器读数为
，
由 可知
解得
6．（2024·广东·三模）在“用双缝干涉测量光的波长”实验中（装置如图所示）：(1)下列说法正确的是________。
A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心前，应放上单缝和双缝
B．用测量头测量时，应使分划板中心刻线与亮条纹的中心对齐
C．屏上的干涉条纹与双缝垂直
(2)如果用激光器做光源，该实验照样可以完成，这时可以去掉的部件是 。
(3)用测量头测量相邻两个亮条纹中心间的距离，转动测量头的手轮，使分划板中心刻线对准第1条亮条纹
中心，如图1所示，记下手轮的读数。继续转动手轮，使分划板中心刻线对准第10条亮条纹中心，如图2
所示，记下手轮的读数。则相邻两个亮条纹的间距是 mm。（结果保留三位有效数字）
(4)在（3）的前提下，如果已经测得双缝的间距是0.300mm，双缝和屏之间的距离是900mm，则待测光的
波长是 m。（结果保留三位有效数字）
【答案】(1)B
(2)滤光片和单缝
(3)1.61
(4)
【详解】（1）A．调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心前，不需要放上单缝和双缝，故A错误
B．用测量头测量时，分划板中心刻线与亮条纹的中心如果不对齐，测量结果不准确，故B正确；
C．屏上的干涉条纹与双缝平行，故C错误。
故选B；
（2）激光器做光源，由于激光的单色性和相干性好，可以去掉滤光片和单缝；
（3）第1条亮条纹中心对应手轮的读数约为0.045mm，第10条亮条纹中心对应手轮的读数约为
，则相邻亮条纹的间距（4）由
可得
7．（2024·黑龙江吉林·模拟预测）小明同学在估测油酸分子大小的实验中，具体操作如下：
①取油酸1.0mL注入1000mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到1000mL的刻度为止。摇动
容量瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸和酒精混合溶液；
②用滴管吸取混合溶液逐滴滴入量筒，记录滴入的滴数直到量筒内体积达到1.0mL为止，恰好共滴了100
滴；
③在浅水盘内注入约2cm深的水，将细痱子粉均匀地撒在水面上，再用滴管吸取混合溶液，轻轻地向水面
滴一滴溶液，酒精挥发后，油酸在水面上尽可能地散开，可以清楚地看出油膜轮廓；
④待油膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上绘出油膜的形状；
⑤将画有油膜形状的玻璃板放在每小格边长为2.0cm的方格纸上。
(1)利用上述具体操作中的有关数据可知，油膜的面积是 cm2，估测出油酸分子的直径是
m（此空保留一位有效数字）。
(2)小明同学通过实验得到的油酸分子的直径和大多数同学相比，测量结果偏大。对于出现这种结果的原因，
可能是由于（ ）
A．在求每滴溶液体积时，1mL溶液的滴数少记了2滴
B．计算油酸面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理
C．水面上痱子粉撒的较多，油酸膜没有充分展开
D．油膜中含有大量未溶解的酒精
【答案】(1) 432 2×10-10(2)AC
【详解】（1）[1]由图中油膜轮廓可知，油膜大约有108个小方格，则油酸膜的面积为
[2]一滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积为
所以油酸分子直径为
（2）A．在求每滴溶液体积时，1mL溶液的滴数少记了2滴，使得一滴油酸酒精溶液含纯油酸的体积计算
值偏大，根据
可知，直径测量值偏大，故A正确；
B．计算油酸面积时，错将所有不完整的方格作为完整的方格处理，使得油膜面积计算值偏大，则直径测
量值偏小，故B错误；
C．水面上痱子粉撒的较多，油酸膜没有充分展开，使得油膜面积计算值偏小，直径测量值偏大，故C正
确；
D．油膜中含有大量未溶解的酒精，使得油膜面积计算值偏大，直径测量值偏小，故D错误。
故选AC。
8．（2024·北京东城·一模）做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验。
(1)下列实验步骤的正确顺序是 （填写实验步骤前的序号）。
a．往边长约为 的浅盘里倒入约 深的水，待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上
b．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
c．将画有油酸膜形状的玻璃板平放在坐标纸上，计算出油酸膜的面积，根据油酸的体积和油酸膜的面积计
算出油酸分子直径的大小
d．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，再根据油酸酒精溶液的浓度计算出油酸的体积
e．将玻璃板放在浅盘上，然后将油酸膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上
(2)实验中，所用油酸酒精溶液每 体积溶液中有纯油酸体积 ，用注射器和量筒测得 体积的上述溶液
有n滴，把一滴该溶液滴入盛水的撒有痱子粉的浅盘中，待水面稳定后，得到油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示，图中每个小正方形格的边长为a，则油酸薄膜的面积 ；可求得油酸分子的直径为
（用 、n、S表示）。
(3)某同学实验中最终得到的油酸分子直径数据偏大，可能是因为___________。
A．油膜中含有大量未溶解的酒精
B．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格
C．水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开
D．用注射器和量筒测 体积溶液滴数时多记录了几滴
【答案】(1)dabec
(2)
(3)BC
【详解】（1）实验过程应先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，再根据油酸酒精溶液的浓度计算出油酸的
体积，后往边长约为40cm的浅盘里倒入约2cm深的水，待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上，
再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，随后将玻璃板放在浅盘上，然
后将油酸膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上，最后将画有油酸膜形状的玻璃板平放在坐标纸上，计算出油酸
膜的面积。根据油酸的体积和油酸膜的面积计算出油酸分子直径的大小。即实验步骤的正确顺序是
dabec。
（2）[1]根据数格子的办法，多于半格算一格，少于半格舍去，油膜的总格数为71格，则油膜总面积为
[2]由于所用油酸酒精溶液每 体积溶液中有纯油酸体积 ，则溶液的浓度为用注射器和量筒测得体积为 的上述溶液有n滴，则一滴溶液中纯油酸的体积为
油酸分子直径为
联立解得
（3）根据
A．油膜中含有大量未溶解的酒精，导致油膜面积测量值偏大，则油酸分子直径测量值偏小，故A错误；
B．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格，导致油膜面积测量值偏小，则油酸分子直径测量值偏
大，故B正确；
C．水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开，导致油膜面积测量值偏小，则油酸分子直径测量值偏大，
故C正确；
D．用注射器和量筒测 体积溶液滴数时多记录了几滴，导致油酸体积测量值偏小，则油酸分子直径测量
值偏小，故D错误。
故选BC。
9．（2024·山西晋中·三模）油酸可以在水面扩展成单分子油膜。实验小组利用这一原理测定油酸的分子直
径（将油酸分子视为球状模型）。
（1）实验步骤：
①向体积为 的纯油酸中加入酒精，直到油酸酒精溶液总量为 ；
②用注射器吸取油酸酒精溶液，一滴一滴地滴入小量筒，当滴入n滴时体积为 ；
③往方口浅盘里倒入适当深度的水；
④往水面上均匀撒上薄薄的一层爽身粉，然后用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，等油酸薄膜形状稳
定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描出油酸薄膜的轮廓；
⑤将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板，放在画有边长为a的正方形小方格的坐标纸上；⑥数出轮廓范围内小方格的总数为N。
（2）实验误差分析：
油膜未充分散开时描下轮廓，则所测分子直径 （填“偏大”或“偏小”）；
测量油酸溶液体积时，量筒读数造成的误差属于 （填“偶然误差”或“系统误差”）。
（3）原理：由上述实验步骤测得的数据（ 、 、n、 、a、N）可得油酸分子直径的表达式为
。
（4）估算：实验室的方形浅盘规格为 ，用注射器滴出的一滴油酸酒精溶液的体积约为
0.02mL，油酸分子的直径按 估算，为使实验尽可能精确，配制的油酸酒精溶液浓度 应选
（填选项序号）。
A． B．
【答案】 偏大 偶然误差 B
【详解】（2）[1]油膜未充分散开时描下轮廓，导致面积的测量值偏小，所以直径测量值偏大。
[2]读数误差为偶然误差。
（3）[3]根据
又
，
可得
（4）[4]由题给数据计算轮廓面积，若选B，则
若选A，则因方形浅盘的面积为 ，所以选B。
10．（2024·江西·模拟预测）物理小组的同学们利用图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。
(1)关于该实验下列说法正确的是________。
A．柱塞上应该涂润滑油
B．应快速推拉柱塞
C．用手握注射器推拉柱塞
(2)测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之间的关系，以p为纵坐标，以
为横坐标在坐标系中描点作图。小明所在的小组压缩气体时漏气，则用上述方法作出的图线应为图乙中的
（选填“①”或“②”）。
(3)为了探究一定质量气体在不同温度时发生等温变化是否遵循相同的规律，他们进行了两次实验，得到的
图像如图丙所示，由图可知两次实验气体的温度大小关系为 （选填“ ”“ ”或“
”）。
【答案】(1)A
(2)②
(3)>
【详解】（1）A．为保持密封性，应涂润滑油，A项正确；
BC．为防止气体温度变化，应缓慢推拉柱塞；不能手握注射器，BC项错误。
故选A。
（2）根据 可得因压缩时漏气，可知质量减小，图像的斜率减小，则得到的图像是②；
（3）在 图像中，根据
即
离坐标原点越远的等温线温度越高，故 ．
11．（2024·浙江·三模）使用如图1装置做“探究气体压强与体积的关系”的实验，已知压力表通过细管
与注射器内的空气柱相连，细管隐藏在柱塞内部未在图中标明。
(1)为了探究压强p与体积V的关系，在测得需要的实验数据后，为达到“探究”的实验目的，用图像法进
行数据分析，从下列选项中选出需要的步骤并按顺序排列______。
A．作 图像，根据画出的图线猜测p与V的关系
B．作 图像，根据画出的图线猜测p与V的关系
C．作 图像，对p与V关系的猜测进行检验
D．作 图像，对p与V关系的猜测进行检验
E．检验正确，得出p与V关系的结论
(2)第1小组为了探究一定质量的气体在不同温度时发生等温变化是否遵循相同的规律，进行了两次实验，
得到的 图像如图2所示。第2小组根据某次实验数据作出的 图如图3所示。下列说法正确的是
______
A．实验前应将注射器里的空气完全排出B．为了减少实验误差，可以在柱塞上涂上润滑油，以减少摩擦
C．由图2可知，第1小组的两次实验气体温度大小关系为
D．如图3所示，若第2小组实验操作正确，则 为联通空气柱与压力表细管的体积
(3)如图4所示，小明从状态A缓慢拉升柱塞，使其到达状态B（体积为 ）。若此时突然提升柱塞，使其
快速到达体积 ，则此时 对应下图中的状态 （填“C”、“D”、“E”、“F”）（图中A、B、E为
同一等温线上的点）
【答案】(1)ADE
(2)CD
(3)F
【详解】（1）根据实验原理可作p−V图像，根据画出的图线猜测p与V的关系，再作 图像，对p与
V关系的猜测进行检验，检验正确，得出p与V关系的结论。
故选ADE。
（2）A．实验是以注射器内的空气为研究对象，所以实验前注射器内的空气不能完全排出，故A错误；
B．为了减少实验误差，可以在柱塞上涂上润滑油，以保证气密性良好，故B错误；
C．根据理想气体状态方程pV=CT可知，离坐标原点越远的等温线温度越高，则有 ，故C正确；
D．设联通空气柱与压力表细管的体积为 ，则有
整理可知
根据图像可知 为联通空气柱与压力表细管的体积，故D正确；
故选CD。
（3）快速到达体积 ，气体对外界做功，热量几乎不变，根据热力学第一定律
可知，内能减小，温度降低，则对应图中的状态F。12．（2024·广东茂名·二模）某同学为了测量固体药物的体积，设计了如图甲所示的测量装置（装置密封
性良好）。
要测量步骤如下：
①把待测药物放进注射器内；
②把注射器活塞推至适当位置，然后将注射器与压强传感器、数据采集器、计算机连接；
③移动活塞，记录注射器的刻度值V，以及气体压强值p；
④重复上述步骤③，多次测量；
⑤根据记录的数据，作出图像，并利用图像计算药物体积。
(1)在操作步骤③中， （选填“缓慢”“快速”或“以任意速度”）移动活塞。
(2)在操作步骤⑤中，为了得到直线图像，纵坐标是V，则横坐标应该选用 （选填“p”“ ”或“
”）。
(3)选择合适的坐标后，该同学通过描点作图，得到的直线图像如图乙所示，其延长线分别交横、纵坐标于
a、b，则待测药物的体积为 （用题目中已知量表示）。
(4)由于压强传感器和注射器连接处软管存在一定容积，由此造成的测量值比真实值 （选填“偏大”
“偏小”或“相同”）。
【答案】(1)缓慢
(2)
(3)b
(4)偏小
【详解】（1）在操作步骤③中，为了保证气体温度不变，应缓慢移动活塞。
（2）设固体药物的体积为 ，以气体为对象，根据玻意耳定律可得整理可得
为了得到直线图像，纵坐标是V，则横坐标应该选用 。
（3）根据
结合图乙 图像可知，待测药物的体积为
（4）由于压强传感器和注射器连接处软管存在一定容积，设该容积为 ，以气体为对象，根据玻意耳定
律可得
整理可得
结合图乙可知
可知造成的测量值比真实值偏小。
