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专题22 热学和光学实验
目录
01 知识脑图·学科框架速建
02 考点精析·知识能力全解
【核心考点】热学和光学实验
一、油膜法估测油酸分子的大小
二、探究等温条件下一定质量气体压强与体积的关系
三、测量玻璃的折射率
四、双缝干涉实验测量光的波长
03 攻坚指南·高频考点突破
【重难点突破01】创新实验测玻璃砖的折射率
04 避坑锦囊·易混易错诊疗
【易混易错01】热学实验中的误差分析
【易混易错01】光学实验中的误差分析
05 通法提炼·高频思维拆解
【方法技巧01】图像法在处理实验数据方面的应用
热学和光学实验
一、油膜法估测油酸分子的大小
1. 原理
把一定体积的油酸酒精溶液滴在水面上使其形成单分子油膜，如图所示。不考虑分子间的间
隙，把油酸分子看成球形，计算出1 滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积V 并测出油膜面积
S，求出油膜的厚度d，即d=V/s 就是油酸分子的直径。
2. 实验步骤
（1）用注射器往小量筒中滴入1ml 油酸酒精溶液，记下滴入的滴数n，算出一滴油酸酒精溶
液的体积V0。
（2）在浅盘中倒入约2cm 深的水，将爽身粉均匀撒在水面上。
（3）将一滴油酸酒精溶液滴在浅盘的液面上。
（4）待油酸薄膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔（或钢笔）画出油酸薄膜的形
状。
（5）将玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S；或者玻璃板上有边长为1cm 的方格，
则也可通过数方格数，算出油酸薄膜的面积S。
（6）根据已配好的油酸酒精溶液的浓度，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。
（7）计算油酸薄膜的厚度d=v/s，即油酸分子直径的大小。
3. 数据处理
（1）一滴油酸酒精溶液的平均体积
V 0= N 商油酸酒精溶液的体积
N
。
（2）一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积
V =V 0×油酸酒精溶液的体积比。（
体积比= 纯油酸体积
溶液的体积体积）。
（3）油膜的面积S =na
2（n为小正方形的有效个数，a为小正方形的边长）。
4. 误差分析
（1）油酸酒精溶液配制后长时间放置，酒精的挥发会导致溶液的浓度改变，从而给实验带来
较大的误差。
（2）油滴的体积过大，同时水面面积过小，不能形成单分子油膜。
【跟踪训练】在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，某同学的操作步骤如下：
①取一定量的无水酒精和油酸，制成一定浓度的油酸酒精溶液；
②在量筒中滴入一滴该溶液，测出它的体积；
③在蒸发皿内盛一定量的水，将爽身粉均匀撒在水面上，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散
开并稳定；
④在蒸发皿上覆盖透明玻璃，用彩笔在玻璃上描出油膜的轮廓，用透明坐标纸测量油膜的面
积。
(1)上述步骤中有错误的是 （填“①""
""
"
②
③或"
"
④）；
(2)若油酸酒精溶液体积浓度为
，一滴溶液的体积为
，其形成的油膜面积约为
，则油酸分子直径约为
（结果保留两位有效数字）；
(3)实验结果表明：测得油酸分子的直径明显偏大，可能的原因是___________。
A．油酸还未完全散开
B．所用油酸溶液中含有大量酒精
C．计算油膜面积时，将所有不足一格的正方形都当成一格计算
D．在用累积法计算一滴溶液的体积时，少数了液滴数
【答案】(1)②
(2)
(3)AD
【知识点】用油膜法估测油酸分子的大小
【详解】（1）应该用累积法测出一滴溶液的体积，比如测量100 滴溶液的体积为
，则一滴
溶液体积为
，故②步骤中有错误。
（2）油酸分子直径约为
；
（3）A．油酸还未完全散开将会导致偏小，由油酸分子直径表达式
，可知分子的直径
偏大，故A 正确；
B．由于大量酒精分子没有挥发会导致S 偏大，由油酸分子直径表达式
，可知分子的直
径d 会偏小，故B 错误；
C．计算油膜面积时，将所有不足一格的正方形都当成一格计算将会导致油膜计算偏大，由
油酸分子直径表达式
，可知分子的直径
会偏小，故C 错误；
D．由
可知，少算了液滴数，
偏小，
偏大，由油酸分子直径表达式
，将会导
致分子的直径
偏大，故D 正确。
故选AD。
二、探究等温条件下一定质量气体压强与体积的关系
1. 实验步骤
（1）按如图所示，组装实验器材，在注射器下端的开口套紧橡胶套，密封一定质量的空气。
（2）测量空气柱的体积V 和压强p。空气柱的长度l 可以通过刻度尺读取，空气柱长度l 与横
截面积S 的乘积就是它的体积V；空气柱的压强p 可以从与注射器内空气柱相连的压力表读
取。
（3）把柱塞缓慢地向下压或向上拉，再读取一组空气柱的长度与压强的数据。
（4）重复步骤3，获取多组数据。
2. 注意事项
（1）为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是注射器活塞上涂润滑油。
（2）为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是移动活塞要缓慢，且不能用手
握住注射器封闭气体部分。
3.数据处理
pV 图不是线性关系，如果p图像中的各点位于过原点的同一条直线上，就说明压强跟体积的
倒数成正比，即压强与体积成反比。如果不在同一条直线上，再尝试其他关系。
4.误差分析
（1）漏气造成空气柱质量变化。改进：给注射器柱塞涂润滑油，使橡胶套尽量密封，压强不
要太大。
（2）空气柱温度不恒定造成误差。改进措施：尽量在恒温环境操作，移动柱塞尽量缓慢。
（3）空气柱体积和气压测量不准确。改进措施：采用较细的注射器和准确度高的压力表。
【跟踪训练】某同学用注射器和传感器探究一定质量的气体发生等温变化时压强与体积的关
系。注射器一端连接压强传感器，另一端利用活塞封闭一定量的气体，如图1 所示。推动活
塞压缩气体，记录多组注射器上的体积刻度和传感器的压强示数。
(1)为保证注射器内封闭气体的温度不发生明显变化，应该（ ）
A．推拉活塞时，要用手握注射器
B．推拉活塞时，要缓慢推拉活塞
C．推拉活塞时，要快速推拉活塞
(2)某同学在一次实验中，计算机屏幕上显示出如图2 所示的
图线（其中实线是实验所得
图线，虚线为一根参考双曲线），仔细观察不难发现，该图线与玻意耳定律不够吻合，造成
这一现象的可能原因是 （选填“活塞处漏气”或“环境温度升高”）；
(3)根据（2）中的判断，为了减小误差，应采取的措施是 ；
(4)调整好器材后，该同学在不同温度下完成实验，得到了如图3 所示的
图线，并在图像
中找到了气体的三个状态
、
、
。
①气体处于
、
状态时温度分别为
和
，则可知
；（用图中字母表示）
②在
的过程中，密封气体从外界吸收了热量
（选填“大于”“小于”或
“等于”）气体对活塞做的功
。
【答案】(1)B
(2)活塞处漏气
(3)活塞处涂抹润滑油（表述的措施能够达到改善漏气的均可得分）
(4)
大于
【知识点】气体等温变化的图象、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
【详解】（1）为保证注射器内封闭气体的温度不发生明显变化，推拉活塞时，不能用手握注
射器，避免因手的温度而改变气体的温度，同时要缓慢推拉活塞，避免摩擦生热，导致气体
温度改变，故选B；
（2）如图可知，等体积时，实线的
乘积偏小，由
可知造成这一现象的可能原因是活塞处漏气或者环境温度降低；
（3）为避免活塞处漏气，可在活塞处涂抹润滑油（表述的措施能够达到改善漏气的均可得
分）；
（4）①由
解得
；
②
图像中，图线与横轴围的面积表示气体做功的多少
由图3 可知，
的过程，气体对外界做功，有
的过程，外界对气体做功，有
，且有
故
的过程中，外界对气体做功
则依题意，气体对活塞做的功
因为
故
则
的过程中，内能增大，即
由
解得
故
。
三、测量玻璃的折射率
1.实验步骤：
(1)图钉、白纸、木板，固定。
(2) 画直线aa′ ，线上取点O （入射点），作法线
NN′，画AO（入射光线）。
特别注意：以上操作均无需放玻璃砖。
(3)在AO 上插P1、P2两大头针。（间距适当远一些）
(4)放玻璃砖，使一条长边与aa′对齐，并画bb′。
特别注意：用尺靠上玻璃砖，拿下玻璃砖后画bb′，绝对不允许用玻璃砖的光学面当尺子。
(5)在bb′侧透过玻璃砖观察，使P1像被P2像挡住，在眼睛侧插P3，使P3挡住P1、P2的像，
再插P4，使P4挡住P3和P1、P2的像．
(6)移去玻璃砖，拔去大头针，由P3、P4 的针孔位置画出射光线O′B 及出射点O′，连接
O、O′得线段OO′.
2.数据处理：
(1)量角查表计算法：量θ1和θ2，查表得sin θ1和sin θ2，
，多次测量求平均值。
(2) 边长比值计算法：用边长比值确定sin θ1、sin θ2，折射率n＝，多次测量求平均值。
(3) 作sin θ1－sin θ2图象：以上两种方法获得sin θ1、sin θ2值，作sin θ1-sin θ2图，斜率即
n。
3.注意事项：
(1)手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的边线。
(2)实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动．
(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一
点，以减小确定光路方向时造成的误差．
(4)实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差过大，也不宜过大，否则在bb′一侧将看不到
P1、P2的像。
4.拓展：
1.不平行的玻璃砖也可以正常实验，唯一的区别是出射光线与入射光线不平行。
2.若边线宽度不等于玻璃砖宽度时引起的误差分析。
【跟踪训练】
在“测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好平行玻璃砖，和
分别是玻璃砖与空气
的两个界面，如图（a）所示。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针
和
，然后在另一侧透过玻
璃砖观察，并插上大头针
，使其挡住
、
的像；接着插上大头针
，使其挡住
、
和
的像，用“●”表示大头针的位置，这样大头针
、
就确定了射入玻璃砖的光线。
(1)正确作出光路图后，测量分界面上的入射角和折射角。多次改变入射角，测得多组入
射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图（b）所示的图像，由图像
可知该玻璃的折射率
（保留两位有效数字）。
(2)如图（c）所示，在实验过程中画出界面后，不小心将玻璃砖向上平移了一些，导致界面
画到图中虚线位置，而在作光路图时界面仍为开始所画的，则所测得的折射率将
（填“偏大”“偏小”或“不变”）。
【答案】(1)1.5
(2)偏大
【知识点】测平行玻璃砖的折射率
【详解】（1）根据折射定律
根据图像得
联立解得
（2）如图（c）所示，在实验过程中画出界面后，不小心将玻璃砖向上平移了一些，导致
界面
画到图中虚线位置，而在作光路图时界面仍为开始所画的，入射角不变，导致折射
角偏小，则所测得的折射率将偏大。
四、双缝干涉实验测量光的波长
1.器材与功能：滤光片：获得单色光 单逢：获得线光源 双缝：一分为二获得相干光。
拨杆：若图像不清晰，左右调节拨杆使双缝与单缝平行。
测量头（自带游标卡尺）：若十字刻线与条纹不平行，旋转测量头可调节。
2.实验原理：条纹间距Δx 与光波长λ，双缝间距d 及双缝与屏的距离l，有关系式为：
，
只要测出Δx、d、l 即可测出波长λ
3.注意事项：（1）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
（2）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
（3）测
，转动手轮使十字刻线对齐某条亮条纹（记作第1 条）的中央，记下手轮读数
x1，转动手轮，使十字刻线对齐第n 条亮条纹的中央，记下手轮读数x2，则相邻两亮条纹间
距
【跟踪训练】请完成下列两个实验。
(1)某实验小组成员用双缝干涉实验装置测光的波长，装置如图甲所示。
①为了得到单色光的干涉图样，可以在光源和单缝之间加装 （填“光屏”“透
镜”或“滤光片”）。
②将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1 条亮纹，此时手轮上的
示数为2.320 mm；然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第5 条亮纹中心对齐，此时
手轮上的示数如图乙所示，即 mm。已知双缝间距
，双缝到屏的距
离
，则该单色光的波长为 m（结果保留两位有效数字）。
(2)某学习小组利用如图丙所示的装置测定当地的重力加速度。图丁为局部放大图，其中
为
电磁开关，
为可改变位置的光电门。实验时，断开电磁开关，使吸附的小球自由落下，计
时器同时开始计时，小球经过光电门
时，计时结束。改变
的位置，多次测量，记录A、B
间的高度差和对应的小球下落时间。
①数据处理时，该小组利用计算机软件对数据进行拟合，得到与
的关系
，
则测得重力加速度
。
②另一学习小组利用此装置重新进行测量，根据所测数据得到图戊所示的图像，如果该图像
的纵坐标为
，图像中直线的斜率为
，则重力加速度为 （用
表示）；如果该
图像的纵坐标为
，图像中直线的斜率为
，则重力加速度为 （用
表示）。
【答案】(1) 滤光片 15.920
(2) 9.72
【知识点】重力加速度、用双缝干涉实验测量光的波长
【详解】（1）[1]加装滤光片可以得到单色光的干涉图样。
[2]根据螺旋测微器读数规则，可得
。
[3]相邻亮纹间距
则波长
。
（2）[1]题目给出拟合公式
自由落体理论公式
对比可得
解得
。
[2][3]由位移时间公式可得
如果该图像的纵坐标为
，则整理得到
则
，可得重力加速度为
；
若纵坐标为
，即有
则
，可得重力加速度为
。
01 创新实验方法测玻璃砖的折射率
计算法：由n＝，算出不同入射角时的n 值，并取平均值。
图像法：作sin θ1－sin θ2图像，由n＝可知其斜率为折射率。
单位圆法：以入射点O 为圆心，作半径为R 的圆，如图所示，则sin θ1＝，sin θ2＝，OE＝
OE′＝R，所以用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n＝＝.
【跟踪训练】某探究小组要测量一横截面为半圆形透明玻璃砖的折射率，准备的器材有玻璃
砖、激光笔、刻度尺和白纸。如图是该小组设计的实验方案示意图，下面是该小组的探究步
骤：
①用刻度尺测量玻璃砖的直径d；
②把白纸固定在水平桌面上，在白纸上建立直角坐标系
，将玻璃砖放在白纸上，使其底
面圆心和直径分别与
点和轴重合，再将刻度尺紧靠玻璃砖并垂直于轴放置；
③打开激光笔开关，让激光笔发出的激光束始终指向圆心
射向玻璃砖，从
轴开始在
平
面内缓慢移动激光笔，在某一位置时，刻度尺上出现两个清晰的光斑，通过刻度尺读取两光
斑与轴的距离分别为
、
（
）；
④继续改变激光笔的位置，直到刻度尺上恰好只有一个光斑，读取该光斑与轴的距离为
；
请回答下面问题：
(1)甲同学利用步骤③测得数据计算该玻璃砖的折射率为 ；乙序学利用步骤④测得数据
计算该玻璃砖的折射率为 ；（用测得的d、
、
、
表示）
(2)比较甲、乙两同学测量折射率的方案，你认为 （选填“甲”或“乙”）同学的测量
误差更小，请说明理由： ；
(3)在操作步骤②中，刻度尺没有与轴严格垂直，请分析甲同学测得的折射率较真实值是偏
大还是偏小： 。
【答案】(1)
(2) 甲 乙同学方案中“恰好只有一个光斑”的状态确定不够准确
(3)若刻度尺逆时针偏离垂直轴位置，测量结果偏大；若刻度尺顺时针偏离垂直轴位置，
测量结果偏小
【知识点】光学创新实验
【详解】（1）[1]按照步骤③画出光路图，如图
由几何关系
故折射率为
[2]按照步骤④画出光路图，如图
此时恰好发生全反射
联立可得折射率为
（2）[1][2]比较甲、乙两同学测量折射率的方案，甲同学误差较小，因为乙同学方案中“恰
好只有一个光斑”的状态确定不够准确。
（3）若刻度尺逆时针偏离垂直轴位置，则L1偏大，L2偏小，测量结果偏大；若刻度尺顺时
针偏离垂直轴位置，则L1偏小，L2偏大，测量结果偏小。
01 热学实验中的误差分析
油膜法估测油酸分子的大小实验误差分析：
（1）油酸酒精溶液配制后长时间放置，酒精的挥发会导致溶液的浓度改变，从而给实验带来
较大的误差。
（2）油滴的体积过大，同时水面面积过小，不能形成单分子油膜。
探究等温情况下压强与体积的关系实验误差分析：
（1）漏气造成空气柱质量变化。改进：给注射器柱塞涂润滑油，使橡胶套尽量密封，压强不
要太大。
（2）空气柱温度不恒定造成误差。改进措施：尽量在恒温环境操作，移动柱塞尽量缓慢。
（3）空气柱体积和气压测量不准确。改进措施：采用较细的注射器和准确度高的压力表。
【跟踪训练】在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中：
(1)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，图中油酸薄膜的面积为S，则可求得油酸分子的直径为
（用
、n、S 表示）。
(2)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)
(2)BC
【知识点】用油膜法估测油酸分子的大小、null
【详解】（1）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
（2）某同学实验中最终得到的油酸分子直径数据偏大，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。
02 光学实验中的误差分析
用双缝干涉测量光的波长实验误差分析：
l 的测量：l 用毫米刻度尺测量，如果可能，可多次测量求平均值；
条纹间距Δx 的测定：Δx 利用测量头测量．可利用“累积法”测n 条亮纹间距，再求Δx＝，
并且采用多次测量求
Δ x 平均值的方法进一步减小误差。
【跟踪训练】某同学在测量梯形玻璃的折射率时，发现只有两枚大头针，他按以下步骤测出
了玻璃的折射率。
①平铺白纸，描出玻璃砖的四条边
、
、
、
，如图甲所示。
②眼睛在
侧透过玻璃砖看棱（
边和
边所在侧面相交的棱），插第一个大头针A 使它
挡住棱，再插第二个大头针B 使它挡住棱和大头针A。
③撤去玻璃砖和大头针，在白纸上画出光线的径迹，测量相应的角度，计算玻璃砖的折射率。
(1)请在答题纸上画出光路图，标出入射角和折射角 。
(2)关于该实验，下列说法正确的是______。
A．为减小误差，要用铅笔紧贴着玻璃砖画出界面
B．判断棱与针是否在同一光路上时，应该观察大头针的头部
C．两枚大头针间距要适当远一些
D．选用
边和
边距离较大的玻璃砖，可减小测量误差
(3)若插针前不小心将玻璃砖向左移动了少许，如图乙所示，则折射率的测量结果 （填
“偏大”“偏小”或“不变”）。
【答案】(1)见解析
(2)CD
(3)偏大
【知识点】测平行玻璃砖的折射率
【详解】（1）连接AB 作出折射光，延长AB 与cd 相交作出入射点，并与a 连接，作出入射
光，光路图如图所示
（2）A．为了避免影响玻璃砖界面的清晰程度，实验中不能够用铅笔紧贴着玻璃砖画出界面，
应沿界面作出两点之后将两点连接，故A 错误；
B．为了判断棱与针是否在同一光路上时，应该观察大头针的底部，故B 错误；
C．为了准确确定光路，两枚大头针间距要适当远一些，故C 正确；
D．为了准确确定光路，选用
边和
边距离较大的玻璃砖，可减小测量误差，故D 正确。
故选CD。
（3）若插针前不小心将玻璃砖向左移动了少许，玻璃砖中入射角的测量值偏小，空气中的折
射角不变，根据折射定律可知，折射率的测量结果偏大。
01 图像法在处理实验数据方面的应用
【跟踪训练】用气体压强传感器做“探究气体等温变化的规律”实验，实验装置如图甲所示。
(1)下列说法或操作正确的是（ ）
A．在注射器柱塞上涂抹润滑油的目的是防止封闭气体泄露
B．推拉活塞时为了稳定，应用手握紧注射器筒的空气柱部分，并迅速推拉活塞改变气体
体积
C．实验过程中应保持周围环境温度不变
D．多测几组
、
数据，记录并作出
图像，若图像为曲线即可说明
、
成反比关
系
(2)在操作规范，不漏气的前提下，某同学测得多组压强
和体积
的数据并作出
图线，
如果胶管中含有一定质量的气体，作出的图像可能是（ ）
A．
B．
C．
(3)在不同温度环境下，另一位同学对相同气体重复了上述实验，实验操作和数据处理均正确，
得到的
图像如图乙所示。两次操作中气体的温度分别为
和
，则
和
的大小关系为
。（选填“>”、“<”或“=”）
【答案】(1)AC
(2)C
(3)
【知识点】探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
【详解】（1）A．在注射器柱塞上涂抹润滑油的目的是防止封闭气体泄露，保证封闭气体的
质量不变，A 正确；
BC．推拉活塞时为了保证气体的温度不变，手不能握在注射器筒的空气柱部分，推拉活塞改
变气体体积时应缓慢进行，且实验过程中要保证室温不变，B 错误，C 正确；
D．多测几组
、
数据，记录并作出
图像，若图像呈现双曲线特征，即可说明
、
成
反比关系，D 错误。
故选AC。
（2）若胶管内含有一定质量的气体，设胶管的体积为
，则有
解得
则
图像为一次函数，纵坐标轴截距为负值。
故选C。
（3）由
可知
可知温度越高，
图像的斜率越大，所以
。
