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作业19 热学和光学实验
选择题每小题3 分。
1.某同学用插针法测量半圆柱体玻璃砖的折射率。先用大头针P1、P2确定直线AB 垂直于玻璃砖的
直径MN,确定圆心的位置为O,然后在玻璃砖右侧插上两个大头针P3、P4,确定经过P1P2的光线通过
玻璃砖后的光路CD,取走玻璃砖,AB 和CD 延长线的交点E 为折射点。若确定出射光路前,不小心使
玻璃砖沿NM 方向发生了小的移动(移到图中虚线位置),如图所示。则测得的折射率与实际值相比
( )
A.偏大
B.偏小
C.相等
D.无法确定
2.某同学做双缝干涉实验时,用波长为λ0的激光照射双缝,墙上的P 点出现第3 级亮条纹(中央亮条纹
为第0 级亮条纹)。当他改用另一种激光照射双缝时,P 点变为第4 级亮条纹,则该激光的波长为(
)
A.3
4
λ0
B. λ0
2
C.1
4
λ0
D.4
3
λ0
3.(5 分)某实验小组使用如图甲所示装置探究等压情况下一定质量气体的体积与温度的关系。注射
器中密封了一定质量的气体,柱塞下使用细绳悬挂一重物,整个装置置于控温箱内,控温箱内气体始终
与外界相通,通过改变控温箱温度读取多组温度、体积数值,并作出V-T 图像。
甲
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乙
(1)实验过程中,下列说法正确的是 。
A.改变控温箱温度后,应等待足够长时间,温度计示数稳定后再读取空气柱体积
B.柱塞处涂抹润滑油的目的是减小摩擦而非密封气体
C.实验过程要保证空气柱密闭性良好
(2)若实验操作规范无错误,作出V-T 图像,如图乙所示,图像不过原点的原因是
。
(3)改变重物质量,再次实验,得到两条直线,如图丙所示,两条直线斜率分别为k1、k2,重物及柱塞质量
之和分别为m1、m2,若测得柱塞横截面积为S,重力加速度为g,大气压强p0可表示为: (忽略
柱塞与注射器之间的摩擦,使用题中所给字母表示)。
丙
(4)某组员认为:若将控温箱密闭,与外界大气不相通,当控温箱内温度缓慢升高时,柱塞和重物的高度
会不降反升。则其观点 (选填“正确”或“不正确”)。
4.(5 分)图甲为利用气体压强传感器探究一定质量的气体在温度不变时,压强与体积关系的实验装置。
甲
乙
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丙
(1)小明同学组装好实验装置,每次实验测出6 组数据,进行两次实验后,他根据两组实验数据作出图乙
所示图像,但是仍然得不到压强与体积的关系,你认为他应该作出V-
(选填“ p”或“ 1
p ”)图像。
(2)小明同学作出正确的图像(如图丙所示)后,他发现该图像与纵轴有截距,你认为这样的原因是
。
(3)通过实验图像,我们可以得出结论:
。
5.(7 分)某同学对玻璃砖的折射率进行测量:先用视深法,再用插针法。
(1)如图甲所示的矩形玻璃砖,有三面磨砂面和三面光学面,将玻璃砖最大的磨砂面压在白纸上,从玻璃
砖边缘部分的正上方朝下看,白纸上的黑点S“上浮”,用彩色水笔从侧面在黑点变浅的位置点“点”,
记为S'。用游标卡尺深度尺测出S'到下表面的距离h,如图乙所示,h= cm,总深H=1.50 cm,
算出玻璃砖的折射率为 (保留2 位有效数字)。
甲
乙
(2)用插针法进行测量。如图丙所示,在软木板上固定白纸,上面放上矩形玻璃砖,a 和a'分别是玻璃砖
与空气的两个界面。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针A 和B,然后在另一侧透过玻璃砖观察,并插上
大头针C,使其挡住A、B 的像;接着插上大头针D,使其挡住C 和B、A 的像,用“·”表示大头针的位置,
这样大头针A、B 就确定了入射玻璃砖的光线。根据以上信息,指出图丁中M、N 分别是 。
丙
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丁
戊
A.大头针A、B
B.大头针B、A
C.大头针A、B 的像
D.大头针B、A 的像
(3)在图戊中画出光在玻璃中的传播光线。
(4)图戊中用刻度尺量出OP=s1,OQ=s2,O'P=x1,O'Q=x2,则折射率n= 。(用s1、s2、x1、x2表示)
6.(6 分)某同学想要利用双缝干涉测量光的波长,实验装置如图甲所示,他选用了缝间距d=0.4 mm 的
双缝,并从仪器注明的规格得知,光屏与双缝间的距离l=0.5 m。接通电源,光源可正常工作,发出白光。
甲
乙
丙
(1)在图甲所示的实验装置中,a、b、c、d 四个实验器材依次是 (填选项前的字母)。
A.滤光片、单缝、双缝、光屏
B.单缝、滤光片、双缝、光屏
C.单缝、双缝、滤光片、光屏
(2)在第一次实验操作中,该同学从目镜中看到了如图乙所示的图样,出现该现象的原因可能是
,此情形下波长的测量值 (选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
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(3)调整实验装置,纠正上述错误后,该同学使用红色滤光片进行了第二次实验操作,观察到了明显的与
分划板中心刻线平行的干涉条纹。该同学调节分划板的位置,使得分划板中心刻线对齐某条亮条纹
的中心(记作第一条亮纹),此时手轮读数为10.578 mm。转动手轮,使分划板中心向右侧移动到第六条
亮条纹的中心位置,手轮读数如图丙所示,此时手轮上的读数为 mm,对应光的波长为
(保留两位有效数字) m。
(4)该同学换用蓝色滤光片后又进行了第三次实验,一切操作准确无误,光屏与双缝之间的距离不变,则
从目镜中观察到的条纹数 (选填“增多”“不变”或“减少”)。
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参考答案
作业19 热学和光学实验
1.B
【解析】 作出移动前、后的法线即OE、O'E,如图所示。根据光路图,写出n 实与n 测的表达式,
按照移动后过圆心O'作法线得到的入射角i 和折射角r,求折射率是准确的,即n 实=sin r
sini
,实际实
验时,过O 点作法线,得到的入射角和折射角增大了相同的角度θ,即测量的折射率n 测=
sin(r +θ)
sin(i+θ)
,据图知r>i,令r=α+i,则sin r
sini = sin(α +i)
sini
= sinicosα +cosisin α
sini
=cos α+
sin α
tani , sin(r +θ)
sin(i+θ) = sin [α +(i+θ)]
sin(i+θ)
= sin(i+θ)cosα +cos(i+θ)sin α
sin(i+θ)
=cos α+
sin α
tan(i+θ)
,
由于tan(i+θ)>tan i,则有sin(r +θ)
sin(i+θ) < sin r
sini
,可得n 实>n 测,即测得的折射率与实际值相比偏小,故
选B。
2.A
【解析】 设双缝间距为d,双缝到光屏的距离为L,OP 间距为x,两种激光干涉条纹间距分别为
Δx1= x
3
,Δx2= x
4
,由Δx= L
d
λ 可得λ
λ0
= Δ x2
Δ x1
= 3
4
,所以该激光的波长为λ=3
4
λ0,故选A。
3.【答案】 (1)AC
(2)未考虑橡胶塞内气体体积
(3)p0=g(m2k2-m1k1)
S(k2-k1)
(4)正确
【解析】 (1)改变温控箱温度后,应该等待足够长时间,温度计示数稳定后再读取空气柱体积,故
A 项正确;柱塞处涂抹润滑油的目的是密封气体保证空气柱密闭性良好,故B 项错误;该实验过程
要保证空气柱密闭性良好,故C 项正确。
(2)设橡胶塞内气体体积为ΔV,有p(V + ΔV )
T
=C,整理有V=C
p
T-ΔV,所以图像不过原点的原因是
未考虑橡胶塞内气体体积。
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(3)由上述分析可知,V-T 图像的斜率为C
p
,所以有k1= C
p1
,k2= C
p2
,对柱塞及重物受力分析,有
p1S+m1g=p0S,p2S+m2g=p0S,解得p0=g(m2k2-m1k1)
S(k2-k1)
。
(4)若将控温箱密闭,当控温箱内温度升高时,假设柱塞不动,有Δ p
ΔT = p
T
,注射器内气体与温控箱内
气体温度始终相同,结合之前的分析可知p 空气柱<p 控温箱,所以有Δp 空气柱<Δp 控温箱,即柱塞会上升,所
以该观点正确。
4.【答案】 (1) 1
p
(2)未考虑注射器与压强传感器连接部位的气体体积
(3)一定质量的理想气体,温度不变时,气体的压强与气体的体积成反比
【解析】 (1)由题图乙猜想一定质量的气体在温度不变时,压强与体积成反比,为验证猜想可以
作出V- 1
p
的图像,若V- 1
p
的图像是过原点的倾斜直线,说明一定质量的气体在温度不变时,压强与
体积成反比。
(2)设注射器与气体压强传感器连接部位的气体体积为V0,注射器内的气体体积为V,则
p(V+V0)=C,整理得V=C
p
-V0,V- 1
p
图像与纵轴有截距的原因是未考虑注射器与气体压强传感器连
接部位的气体体积。
(3)通过实验图像,我们可以得出结论:一定质量的理想气体,温度不变时,气体的压强与气体的体
积成反比。
5.【答案】 (1)0.57 1.6
(2)C
(3)见解析图
(4) x2s1
x1s2
【解析】 (1)游标卡尺读数为0.5 cm+7×0.1 mm=0.57 cm;
作出光路图,如图所示,由于在玻璃砖边缘正上方朝下看,i 与r 均较小,由几何关系,可得sin i≈tan
i=
d
H -h
,sin r≈tan r= d
H
,根据折射率的定义式,有n= sini
sin r
=1.6。
(2)观察者一侧两大头针的连线与M、N 的连线相比向左有一定的侧移,可知M、N 分别是确定
玻璃砖入射光线的两枚大头针A、B 的像。故选C。
(3)光在玻璃砖中的传播光线,如图所示。
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(4)设入射角为i,折射角为r,由几何关系,可得sin i= x2
s2
,sin r= x1
s1
,根据折射率的定义式,有n=
sini
sin r = x2s1
x1s2
。
6.【答案】 (1)A
(2)分刻板中心刻度线与干涉条纹不平行 大于
(3)15.078(15.077~15.079 均可) 7.2×10-7
(4)增多
【解析】 (1)实验中,光先通过滤光片,得到单色光,再通过单缝,产生线光源,然后通过双缝后在光
屏上产生干涉条纹。故选A。
(2)题图乙中出现的问题是分刻板中心刻度线与干涉条纹不平行,应调节测量头使分划板中心刻
线与干涉条纹平行。此情形将造成条纹间距的测量值偏大,根据双缝干涉的条纹间距公式可知
波长的测量值将偏大。
(3)题图丙中手轮示数为15 mm+7.8×0.01 mm=15.078 mm,所以第一条亮纹与第六条亮纹间距为
x=15.078 mm-10.578 mm=4.500 mm,由题意可知,相邻的两个亮条纹或暗条纹的中心间距为Δx=
x
5
,由Δx= l
d
λ 可得该单色光的波长为λ=7.2×10-7 m。
(4)换上蓝色滤光片,则光的波长变小,干涉条纹间距变小,其余条件不变,则目镜中可观察到的干
涉条纹条数增多。
