【讲与练】高中物理人教版(2019)必修2：5.3 实验：探究平抛运动的特点学案

3．实验：探究平抛运动的特点一、抛体运动和平抛运动1．抛体运动：以一定的速度将物体抛出，在空气阻力_可以忽略__的情况下，物体只受_重力__作用的运动。2．平抛运动：初速度沿_水平__方向的抛体运动。3．平抛运动的特点：(1)初速度沿_水平__方向；(2)只受_重力__作用。二、实验：探究平抛运动的特点1．实验目的(1)用实验描出平抛运动的轨迹。(2)探究平抛运动竖直方向和水平方向运动的特点。2．实验原理用频闪照相的方法或研究平抛运动的实验装置得出小球做平抛运动的不同时刻的位置，用平滑曲线连接各位置，得到小球做平抛运动的轨迹。以小球平抛的起点为坐标原点，沿水平方向和竖直向下的方向建立直角坐标系，根据各点坐标数据研究小球在水平方向和竖直方向的运动规律。3．实验器材(1)频闪照相机、铅笔、刻度尺、三角板。(2)平抛实验装置、小钢球、白纸、复写纸、铅笔、刻度尺、三角板。4．进行实验方案一：频闪照相法：(1)实验现象：利用频闪照相机得到物体做平抛运动与自由落体运动对比的频闪照片如图1所示。(2)现象分析：①在竖直方向上，两种运动经过相等的时间，下落相同的高度，即在竖直方向上的运动是相同的，都是自由落体运动；②在水平方向上，平抛运动在通过相等的时间内前进的距离相同，即水平方向上的运动是匀速直线运动。(3)理论分析：①水平方向：初速度为v0，物体不受力，即Fx＝0，物体由于惯性而做匀速直线运动。②竖直方向：初速度为零，物体只受重力作用，即Fy＝mg，a＝g，物体做自由落体运动。方案二：分别研究水平和竖直方向分运动规律步骤1：探究平抛运动竖直分运动的特点(1)如图2所示，用小锤击打弹性金属片后，A球做_平抛__运动；同时B球被释放，做_自由落体__运动观察两球的运动轨迹，听它们落地的声音。(2)分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，即改变小球在竖直方向上运动的时间和A球的初速度，发现两球_仍同时落地__，说明平抛运动在竖直方向的分运动为_自由落体运动__。步骤2：探究平抛运动水平分运动的特点1．装置和实验(1)如图3所示，安装实验装置，使斜槽M末端_水平__，使固定的背板竖直，并将一张白纸和复写纸固定在背板上，N为水平放置的可上下调节的倾斜挡板。(2)让钢球从斜槽上某一高度滚下，从末端飞出后做平抛运动，使小球的轨迹与背板平行。钢球落到倾斜的挡板N上，挤压复写纸，在白纸上留下印迹。(3)上下调节挡板N，进行多次实验，每次使钢球从斜槽上_同一__(选填“同一”或“不同”)位置由静止滚下，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。(4)以斜槽水平末端端口处小球球心在白纸上的投影点为坐标原点O，过O点画出竖直的y轴和水平的x轴。(5)取下坐标纸，用平滑的曲线把这些印迹连接起来，得到钢球做平抛运动的轨迹。(6)根据钢球在竖直方向是自由落体运动的特点，在轨迹上取竖直位置为y、4y、9y…的点，即各点之间的时间_间隔相等__，测量这些点之间的水平位移，确定水平方向分运动特点。(7)结论：平抛运动在相等时间内水平方向_位移相等__，平抛运动水平方向为_匀速直线运动__。2．注意事项(1)实验中必须调整斜槽末端的切线_水平__，使小球做平抛运动(调节方法：将小球放在斜槽末端水平部分，若小球_静止__，则斜槽末端水平)。(2)背板必须处于_竖直__面内，固定时要用铅垂线检查坐标纸竖线是否_竖直__。(3)小球每次必须从斜槽上_同一位置__由静止释放，这样可以使小球每次的轨迹相同。(4)坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时小球_球心__在背板上的投影点。(5)小球开始滚下的位置高度要适中，以使小球做平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。探究教材原型实验角度1对实验操作过程的考查典例剖析典题1在“研究平抛运动”实验中。(1)如图所示是用横挡条卡住平抛小球，用铅笔标注小球球心，确定平抛运动轨迹的方法。①坐标原点应选小球在斜槽末端点时的_A__。A．球心 B．球的上端C．球的下端②在此实验中，下列说法正确的是_BD__。A．斜槽轨道必须光滑B．记录的点应适当多一些C．用平滑曲线把所有的点连接起来D．y轴的方向根据重垂线确定(2)如图是拍摄小球做平抛运动的频闪照片，由照片可判断实验操作中的错误是_C__。A．释放小球时初速度不为0B．释放小球的初始位置不同C．斜槽末端切线不水平解析：(1)①确定平抛运动轨迹的方法，坐标原点应选小球在斜槽末端点时的球心，故选A。②斜槽轨道的粗糙程度对小球的平抛运动无影响，A错误；记录的点应适当多一些，可以减小误差，B正确；用平滑曲线把大多数点连接起来，但并不一定是所有点，C错误；y轴的方向即小球做自由落体运动的方向，要根据重垂线确定，D正确。(2)由照片可判断小球做斜上抛运动，所以实验操作中斜槽末端切线不水平，C正确。角度2实验数据处理典例剖析典题2采用如图所示的实验装置做“研究平抛运动”的实验。(1)实验时需要下列哪个器材_B__。A．弹簧测力计 B．重垂线C．打点计时器(2)做实验时，让小球多次沿同一轨道运动，通过描点法画出小球平抛运动的轨迹。下列的一些操作要求，正确的是_ACD__。A．每次必须由同一位置静止释放小球B．每次必须严格地等距离下降记录小球位置C．小球运动时不应与木板上的白纸相接触D．记录的点应适当多一些(3)若用频闪摄影方法来验证小球在平抛过程中水平方向是匀速运动，记录下如图乙所示的频闪照片。在测得x1，x2，x3，x4后，需要验证的关系是_x4－x3＝x3－x2＝x2－x1＝x1__。已知频闪周期为T，用下列计算式求得的水平速度，误差较小的是_D__。A.eq\f(x1,T) B．eq\f(x2,2T)C．eq\f(x3,3T) D．eq\f(x4,4T)解析：(1)实验时需要重垂线来确定竖直方向，故选B。(2)为保证每次小球运动的初速度相同，每次必须由同一位置静止释放小球，A正确；实验中，不必严格地等距离下降记录小球位置，B错误；为保证小球在空中运动时只受到重力，小球运动时不应与木板上的白纸相接触，C正确；为使描得的轨迹精准些，误差小些，记录的点应适当多一些，D正确。(3)若小球在水平方向上做匀速直线运动，则满足x1＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3，位移较大时，距离的测量误差较小，故用eq\f(x4,4T)计算水平速度误差较小，D正确。对点训练❶某同学用如图甲所示装置做“研究平抛运动”的实验，根据实验结果在坐标纸上描出了小球水平抛出后的运动轨迹，但不慎将画有轨迹图线的坐标纸丢失了一部分，剩余部分如图乙所示。图乙中水平方向与竖直方向每小格的长度均为0.10m，P1、P2和P3是轨迹图线上的3个点，P1和P2、P2和P3之间的水平距离相等。完成下列填空：(重力加速度g取10m/s2)(1)设P1、P2和P3的横坐标分别为x1、x2和x3，纵坐标分别为y1、y2和y3，从图乙中可读出|y1－y2|＝_0.60__m，|y1－y3|＝_1.60__m，|x1－x2|＝_0.60__m(保留两位小数)。(2)若已知抛出后小球在水平方向上做匀速运动，在竖直方向做自由落体运动。利用(1)中读取的数据，求出小球从P1运动到P2所用的时间为_0.20__s，小球抛出后的水平速度为_3.0__m/s。解析：(1)由题图乙可知P1与P2两点在竖直方向的间隔为6格，P1与P3两点在竖直方向的间隔为16格，所以有|y1－y2|＝0.60m，|y1－y3|＝1.60m．P1与P2两点在水平方向的间隔为6格，则有|x1－x2|＝0.60m.(2)由水平方向的运动特点可知P1到P2与P2到P3的时间相等，根据Δy＝gt2，解得t＝0.20s，则有v0＝eq\f(x,t)＝eq\f(0.60,0.20)m/s＝3.0m/s.探究创新拓展实验典例剖析典题3频闪照相是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中，频闪仪的快门处于常开状态，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光，照亮运动的物体，于是胶片上记录了物体在几个闪光时刻的位置。某物理小组利用图甲所示的装置探究平抛运动的特点。他们分别在该装置正上方和右侧正前方安装了频闪仪A、B并进行了拍摄，得到的频闪照片如图乙所示，O为抛出点，P为运动轨迹上某点。根据实验分析下列问题。(1)图乙中，频闪仪B所拍摄的频闪照片为_(a)__(填“(a)”或“(b)”)。(2)乙图中频闪照片(b)可以说明_小球在水平方向上的分运动为匀速直线运动__。解析：(1)频闪仪B记录的是小球竖直方向的运动情况，而小球在竖直方向做自由落体运动，所以频闪仪B所拍摄的频闪照片为(a)。(2)根据上面分析可知频闪照片(b)是频闪仪A所拍摄的，照片中频闪时间间隔内小球的位移大小相同，可以说明小球在水平方向上的分运动为匀速直线运动。对点训练❷如图所示，在研究平抛运动时，小球A沿轨道滑下，离开轨道末端(末端水平)时撞开轻质接触式开关S，被电磁铁吸住的小球B同时自由下落。改变整个装置的高度，多次实验，发现A、B两球总是同时落地。该实验现象说明，A球在离开轨道后，竖直方向的运动有何特点？答案：竖直方向的运动是自由落体运动解析：小球A做平抛运动，同时小球B做自由落体运动，A、B两球总是同时落地，说明两球在竖直方向的运动是相同的，即说明平抛运动在竖直方向的运动是自由落体运动。1．(2022·浙江衢州高一月考)在“探究平抛运动的特点”实验中利用如图所示装置进行实验，钢球释放后落在倾斜挡板上，就会挤压复写纸，并在白纸上留下印迹。多次试验，白纸上留下了10个印迹，如果用画圆法确定钢球的落点，图中画的三个圆最合理的是(C)A．A B．BC．C解析：如果用画圆法确定钢球的落点，应该让所画的圆尽可能把大多数落点包进去，且圆的半径最小，这样所画圆的圆心即为小球落点的平均位置，故选C。2．(2023·山东青岛高一月考)用如图甲所示装置研究平抛运动，两相同的斜槽固定在同一竖直面内，它们的轨道末端水平，下方的斜槽末端与光滑水平轨道平滑连接。把两个相同小球，均从斜槽的顶端由静止同时释放，观察到两小球恰好在水平轨道相遇，这说明平抛运动在水平方向上的分运动是_匀速直线运动__；用如图乙所示的装置研究平抛运动时，小球2与斜槽末端在同一水平线上，将小球1从斜槽某处释放，当它到达斜槽末端时触发接收器，小球2被释放。观察到两小球恰好在小球2初位置的正下方相遇，这说明平抛运动在竖直方向上的分运动是_自由落体运动__。解析：两小球恰好在水平轨道相遇，这说明两球在水平方向的运动相同，说明平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动；观察到两小球恰好在小球2初位置的正下方相遇，这说明两球在竖直方向的运动相同，即说明平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动。3．(2022·江苏盐城高一校考期末)图甲是“研究平抛物体的运动”的实验装置图。(1)实验前应对实验装置反复调节，直到斜槽末端切线_水平__。每次让小球从同一位置由静止释放，是为了每次平抛_初速度相同__。(2)图乙是正确实验取得的数据，其中O为拋出点，则此小球做平抛运动的初速度为_1.6__m/s。(g取9.8m/s2)(3)在另一次实验中将白纸换成方格纸，每小格的边长L＝5cm，通过实验记录了小球在运动途中的三个位置，如图丙所示，则该小球做平拋运动的初速度为_1.5__m/s，B点的竖直分速度为_2__m/s。(g取10m/s2)解析：(1)为了保证小球的初速度水平，斜槽末端切线应水平。每次让小球从同一位置由静止释放，是为了每次平抛的初速度相同。(2)分析图乙，O点为抛出点，取坐标点：x＝32.00cm＝0.32m，y＝19.6cm＝0.196m，在竖直方向上则有y＝eq\f(1,2)g