《实验：探究平抛运动的特点》（教师版）导学案

学而优教有方PAGEPAGE18第3节实验：探究平抛运动的特点【知识梳理】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，物体只受重力的作用，这时的运动叫作抛体运动。2.平抛运动：初速度沿水平方向的抛体运动。二、实验原理1.实验思路：根据运动的合成与分解原理，平抛运动可看作沿竖直方向和水平方向的两个分运动的合运动。2.实验方案方案一：用频闪照相等方法记录做平抛运动的物体经过相等时间间隔所到达的位置，获得水平方向和竖直方向的位移随时间变化的具体数据，便可以独立分析水平方向和竖直方向的运动规律。方案二：在水平和竖直两个方向中，先研究其中一个方向的运动规律，再设法分析另外一个方向的运动规律。三、实验器材实验方案（二）的实验器材：1.探究平抛运动竖直分运动特点的实验器材：小锤一个、两个相同的小铁球、平抛竖落仪一个。2.探究平抛运动水平分运动特点的实验器材：斜槽、钢球、白纸、复写纸、铅垂线、铅笔、平抛铁架台(有背板及水平放置的可上下调节的挡板)。四、实验步骤和过程步骤一：如图甲，探究平抛运动竖直方向的运动特点。用小锤打击弹性金属片后，A球沿水平方向抛出，同时B球被松开，自由下落。A、B两球同时开始运动。观察两球哪个先落地。改变小球距地面的高度和打击的力度，重复这个实验。实验时，也可以用耳朵“听”来判断两球落地时刻的先后。注意事项：1.用小锤水平击打在弹性金属片中央位置，确保A球能够沿水平方向飞出；2.调节好平抛运动演示器，确保用小锤击打弹性金属片的同时B球被松开，自由下落；3.A、B两小球选择体积小、质量大，大小、材料、质量完全相同的小球；4.确保A、B两球运动前高度相同，且落到同一水平面上。步骤二：如图乙，探究平抛运动水平方向的运动特点。在图乙所示的装置中，斜槽M末端水平。钢球在斜槽中从某一高度滚下，从末端飞出后做平抛运动。在装置中有一个水平放置的可上下调节的倾斜挡板N，钢球飞出后，落到挡板上。实验前，先将一张白纸和复写纸固定在装置的背板上。钢球落到倾斜的挡板上后，就会挤压复写纸，在白纸上留下印迹。上下调节挡板N，通过多次实验，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。最后，用平滑曲线把这些印迹连接起来，就得到钢球做平抛运动的轨迹。根据步骤一得出的平抛运动在竖直方向分运动的规律，设法确定“相等的进间间隔”。再看相等的时间内水平分运动的位移，进而确定水平分运动的规律。注意事项：1.调节铁架台，通过观察铅垂线，使铁架台底座水平，从而使挡板N水平，背板在竖直面内；2.斜槽的末端必须调节水平；3.钢球必须从同一位置滚下；4.钢球应选比较小的，使记录的位置尽量准确。五、数据处理1.观察发现，A、B两球同时落地。改变小球距地面的高度和打击的力度，重复实验时，两球在空中的运动时间和A球的水平初速度大小发生改变，但A、B两球总是同时落地。说明A球在竖直方向的运动与B球完全相同，平抛运动在竖直方向的运动为自由落体运动。2.以小球出槽口时球心在白纸上的投影点为坐标原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴。如图所示：3.竖直分运动为自由落体运动，以起点开始，相邻相等时间间隔的位移之比为1∶3∶5∶9∶…，在y轴上从O点起，据此量出各段位移，即可确定“相等的时间间隔”。4.根据运动的合成与分解，测出相等时间间隔内的水平位移，从而确定平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动。5.由实验探究可知，平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动。六、误差分析1．A、B两球由于不完全相同，因而在空中所受阻力不同，产生误差。2．探究平抛运动竖直方向的运动特点时，用小锤击打弹性金属片时，A球不能完全水平飞出，B球不能立即被松开、同时下落，产生误差。3．安装斜槽时，其末端切线不水平，导致小球离开斜槽后不做平抛运动，产生误差。4．建立坐标系时，坐标原点的位置确定不准确，导致轨迹上各点的坐标不准确，产生误差。5．小球每次自由滚下时起始位置不完全相同，导致轨迹出现误差。6．确定小球运动的位置时不准确，会导致误差。7．量取轨迹上各点坐标时不准确，会导致误差。【方法突破】【例】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同时自由落下，改变整个装置的高度H做同样的实验。下列说法正确的是（）A．两球轨迹不同，B球先落地B．实验现象可以说明A球离开轨道后，竖直方向做的是自由落体运动C．实验现象可以说明A球离开轨道后，水平方向做的是匀速直线运动D．改变A球的释放点，两小球落地时间不同【答案】B【详解】无论改变整个装置的高度H，还是改变A球的释放点做同样的实验，得出的结果是：每次两个小球都会同时落地，说明两个小球在竖直方向上运动状态相同，A小球在竖直方向上也做自由落体运动，而水平方向上运动，无法比较。故选B。【针对训练】在“探究平抛运动的特点”的实验中，用如图所示装置描绘轨迹。实验前，将斜槽M的末端调节水平，再将一张白纸和复写纸固定在背板上。N是可上下调节的一个水平放置的挡板，挡板与背板之间成“V”夹角。钢球飞出后落到N上，就会挤压复写纸留下痕迹。上下调节挡板N，通过多次实验，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。关于实验过程，下列说法正确的是（）A．钢球可以从斜槽上不同位置由静止释放B．重垂线只是用来检验背板是否竖直C．白纸固定在复写纸的外面D．在描出的轨迹上，从抛出点开始依次取竖直方向比值为1∶3∶5的三段位移，则对应水平方向的三段位移之比接近1∶1∶1【答案】D【详解】A．因为要画同一运动的轨迹，必须每次释放小球的位置相同，且由静止释放，以保证获得相同的初速度，A错误；B．重垂线的作用是确保背板与白纸是在竖直面内，B错误；C．钢球飞出后落到N上，就会挤压复写纸留下痕迹，白纸固定在复写纸的里面，C错误；D．因为平抛运动在竖直方向上做的是自由落体运动，从抛出点开始依次取竖直方向比值为1∶3∶5的三段位移，说明这三段的运动时间是相等的，而水平方向是匀速直线运动，则平方向的三段位移之比接近1∶1∶1，D正确。故选D。【对点检测】随堂检测1．平抛物体的运动规律可以概括为两点：①水平方向做匀速直线运动；②竖直方向做自由落体运动。如图所示为研究平抛运动的实验装置，现把两个小铁球分别吸在电磁铁C、E上，然后切断电磁铁C的电源，使一个小铁球从轨道A射出，并在射出时碰到碰撞开关S，使电磁铁E断电释放它吸着的小铁球，两铁球同时落到地面。这个实验（）A．只能说明上述规律中的第①条B．只能说明上述规律中的第②条C．不能说明上述规律中的任何一条D．能同时说明上述两条规律【答案】B【详解】由于左端小铁球平抛的同时，右端小铁球开始做自由落体，且两球同时落地，说明平抛的小铁球在竖直方向上和右端小铁球做同样的运动，即做自由落体运动，但无法说明平抛小铁球在水平方向的运动，所以B正确；ACD错误；故选B。2．某同学设计了一个探究平抛运动特点的家庭实验装置。如图所示，在水平桌面上放置一个斜面，把桌子搬到墙的附近，把白纸和复写纸附在墙上。第一次让桌子紧靠墙壁，从斜面上某一位置由静止释放钢球，在白纸上得到痕迹A，以后每次将桌子向后移动相同的距离x，每次都让钢球从斜面的同一位置滚下，重复刚才的操作，依次在白纸上留下痕迹B、C、D，测得AB、BC、CD间的距离分别为y1、y2和y3，设小钢球离开水平桌面运动后运动到痕迹B、C、D的时间分别为t1、t2和t3.下列关于本实验的操作或判断错误的是（）A．实验前应对实验装置反复调节，直到桌面与重锤线垂直B．每次让小球从同一位置由静止释放，是为了具有相同的水平初速度C．如果操作与测量正确，可得y1∶y2∶y3=1∶2∶3D．如果操作与测量正确，可得t1∶t2∶t3=1∶2∶3【答案】C【详解】A．由于要使小球做平抛运动，则小球沿桌面运动时速度应水平，即桌面需水平，故A正确，不符题意；B．由于需使小球每次做平抛运动时轨迹相同即平抛运动的初速度需相同，故需每次都让钢球从斜面的同一位置滚下，故B正确，不符题意；CD．由于每次将桌子向后移动相同的距离x，可知每次与桌面的水平距离之比为则由可知t1∶t2∶t3=1∶2∶3根据可知AB、AC、AD的位移之比为1：4：9，所以有y1∶y2∶y3=1∶3∶5故C错误，符合题意，D正确，不符题意。本题选错误的，故选C。课后检测3．用小锤击打弹性金属片后，一小球做平抛运动，同时另一小球做自由落体运动．两球运动的频闪照片如图所示，最上面与最下面小球位置间的实际竖直距离为1m，照片中反映的实际情况是（）A．自由下落小球相邻位置间的位移相等B．平抛运动小球相邻位置间的位移相等C．自由下落小球相邻位置间的距离一定大于0.1mD．平抛运动小球相邻位置间的水平距离一定大于0.1m【答案】D【详解】A．小球做自由落体运动，相等时间内的位移增大，故A错误；B．平抛运动小球在竖直向相同时间内位移增大，则相邻位置间的位移不相等，故B错误；C．1米对于10等分的话为0.1m，但自由下落相同时间内的位移增大，则刚下落时的距离要小于0.1m，则C错误；D．由图可知水平长度要大于竖直高度，而水平向为匀速直线运动，则为距离平分，要大于0.1m，故D正确．4．在探究平抛运动的规律时，可以选用如图所示的各种装置图，则以下操作合理的是（）A．选用装置图甲研究平抛物体的竖直分运动时，可多次改变小球距地面的高度，但必须控制每次打击的力度不变B．选用装置图乙并要获得稳定的细水柱显示出平抛运动的轨迹，竖直管上端A一定要低于水面C．选用装置图丙并要获得钢球做平抛运动的轨迹，每次不一定从斜槽上同一位置由静止释放钢球D．选用装置图丙并要获得钢球做平抛运动的轨迹，要以槽口的端点为原点建立坐标【答案】B【详解】A、选用装置图甲研究平抛物体竖直分运动，应该是听声音的方法判断小球是否同时落地，与每次打击的力度无关，故A错误；B、竖直管内与大气相通，为外界大气压强，竖直管在水面下保证竖直管上出口处的压强为大气压强．因而另一出水管的上端口处压强与竖直管上出口处的压强有恒定的压强差，保证另一出水管出水压强恒定，从而水速度恒定．如果竖直管上出口在水面上，则水面上为恒定大气压强，因而随水面下降，出水管上口压强降低，出水速度减小；故B正确；C、选用装置图丙要获得钢球的平抛轨迹，每次一定要从斜槽上同一位置由静止释放钢球，这样才能保证初速度相同，故C错误；D、选用装置丙建立坐标系时，以斜槽末端端口上方小球球心处为坐标原点，故D错误.故选B.5．图为一小球做平抛运动的频闪照片。第1次闪光时小球位于O点，第4次、第8次闪光时小球分别位于A、B两点。已知OA的水平距离为x1，AB的水平距离为x2，频闪仪的闪光周期为T。根据照片所测量的物理量，可得到小球水平速度v0的大小为（）A． B．C． D．【答案】D【详解】做平抛运动的小球，在水平方向上的分运动为匀速直线运动，由图可知；解得或选项D正确，ABC错误。故选D。6．如图所示，两个相同的弧形轨道M、N，分别用于发射小铁球P、Q，两轨道上端分别装有电磁铁C、D，电磁铁E装在与轨道M最低点等高处的某一|水平位置。调节C、D高度，使，将小铁球P、Q、R分别吸在电磁铁C、D、E上，然后同时切断C、D电源，P、Q从弧形轨道滚下，当小球P运动到圆弧末端时由装置切断E电源，小铁球R开始下落，改变弧形轨道M的高度以及电磁铁E的位置，再进行若干次调整，经过多次实验发现，P、Q、R三球同时在水平面相撞。下列说法和做法正确的是（）A．实验说明小铁球P离开轨道做平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动B．实验说明小铁球P离开轨道做平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动C．若实验时发现小铁球P、R在空中相撞而不能同时击中水平的小铁球Q，为了使三球同时相撞，可以适当将电磁铁E向右移动一段距离D．若实验时发现小铁球P、R在空中相撞而不能同时击中水平的小铁球Q，为了使三球同时相撞，可以适当将电磁铁E向左移动一段距离【答案】ABC【详解】AB．小铁球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道M、N的下端射出，可以看到P、Q两球相碰，可知小铁球P在水平方向上的运动情况与Q球的运动情况相同，即小铁球P离开轨道做平抛运动的水平方向的分运动是匀速直线运动。当小铁球P运动到圆弧末端时，小铁球R开始下落，多次实验发现，P、Q、R三球同时在水平面相撞，说明小铁球P做平抛运动的竖直方向的分运动是自由落体运动。选项AB正确；CD．若实验时发现小铁球P、R在空中相撞而不能同时击中水平的小铁球Q，为了使三球同时相撞，必须增大R球到Q球的水平距离，因此可以适当将电磁铁E向右移动一些，选项C正确，D错误。故选ABC。7．某同学在“探究平抛运动的规律”时做了以下操作。（1）先采用图甲所示装置。用小锤打击弹性金属片，金属片把球A沿水平方向弹出，同时B球被松开自由下落，观察到两球同时落地。改变小锤打击力的大小，即可改变球A被弹出时的速度，两球仍然同时落地，这说明平抛运动竖直方向的分运动是________。（2）接着他用频闪照相机得到小球做平抛运动的闪光照片，图乙是照片的一部分，正方形小方格每边长L=10cm，则小球运动中水平分速度的大小是_________m/s。（g取10m/s2）【答案】自由落体运动2【详解】（1）[1]改变小锤打击力的大小，即可改变球A被弹出时的速度，两球仍然同时落地，说明平抛运动在竖真方向上就是自由落体运动；（2）[2]在竖直方向上，根据得小球平抛运动的初速度为8．研究平抛运动的实验装置如图甲所示，实验过程中用频闪照相法来获取小球做平抛运动时不同时刻的位置。（1）某次实验过程中获得连续三个时刻小球的位置如图乙所示，若频闪照相机的频率，用刻度尺测得照片上、，照片上物体影像的大小与实际物体的实际大小之比为，则当地的重力加速度_______（用字母表示）=_____计算结果保留至小数点后两位。（2）要测出小球离开斜槽末端的速度，还需要测量的物理量是___________，使用的仪器是_________。（3）若实验中，斜槽末端切线不水平，则仅从这一因素的影响分析，重力加速度的测量值_______填“偏大”“偏小”或“没有影响”，小球离开斜槽末端的速度的测量值________填“偏大”“偏小”或“没有影响”。【答案】9.60A、B两点间的水平距离刻度尺没有影响偏小【详解】(1)[1][2]由题意可知小球从A到B的时间与从B到C的时间相等，小球在竖直方向做匀加速直线运动，根据以及照片上物体影像的大小与实际物体的实际大小之比，可得即代入数据得(2)[3]要测出小球离开斜楼末端的速度，还需要测量A、B两点间的水平距离或B、C两点间的水平距离x，或A、C两点间的水平距离，即[4]需要用到的仪器是刻度尺。(3)[5]无论斜槽末端切线是否水平，小球均做抛体运动，竖直方向的分运动为匀加速直线运动，水平方向的运动不会影响竖直方向的运动，故仅从“斜槽末端切线不水平”这一因素的影响分析，重力加速度的测量值没有影响。[6]若斜槽末端切线不水平，则利用计算得到的是小球离开斜槽末端时速度在水平方向的分速度，它与小球离开斜槽末端时的速度相比较，测量值偏小。【提升训练】11．如图甲所示，用小锤轻击弹性金属片，小球A向水平方向飞出，同时小球B被松开，竖直向下运动。（1）用不同的力度击打弹性金属片，可以观察到小球A的运动轨迹______，小球B的运动轨迹______。（均填“改变”或“不变”）（2）用频闪照相的方法研究小球A、B的运动情况，得到它们在运动过程中的频闪照片如图乙所示。从照片分析可知，小球A______。（填选项前的字母）A．在水平方向做匀速直线运动B．在水平方向做匀加速直线运动C．在竖直方向做匀速直线运动D．在竖直方向做匀加速直线运动【答案】改变不变AD【详解】（1）[1]因为用不同的力度击打弹性金属片，小球A水平方向的速度会发生变化，水平的位移也会发生变化，所以其运动轨迹会发生变化；[2]因为小球B被松开，是竖直向下运动。所以水平方向用不同的力度击打弹性金属片，对其没有影响，都是自由落体运动，故其运动轨迹不会发生变化；（2）[3]AB．由图乙的运动过程中的频闪照片可知，相等时间内小球A的水平位移都相等，故其水平方向做匀速直线运动，B错误，A正确；CD．由图乙的运动过程中的频闪照片可知，相等时间内小球A的竖直方向的位移均匀增大，故其竖直方向做匀加速直线运动，C错误，D正确。故选AD。12．（1）在“研究平抛物体运动”的实验中，可以描绘平抛物体运动轨迹和求物体的平抛初速度。实验简要步骤如下；A．让小球多次从__________（填“相同”或“不同”）位置上滚下，通过小球与挡条和平板的撞击，记下小球平抛运动轨迹上的一系列位置；B．安装好器材，注意把斜槽末端调_______（填“水平”或“竖直”）和平板竖直，记下斜槽末端点和过点的竖直线；C．测出曲线上某点的坐标，用计算式_______（用表示）算出该小球的平抛初速度，实验需要对多个点求的值，然后求它们的平均值；D．取下白纸，以为原点，以竖直线为轴建立坐标系，用平滑曲线画出平抛轨迹。上述实验步骤的合理顺序是_________（只填排列序号即可）。（2）在“研究平抛物体运动”的实验中，小球与斜槽间的摩擦力对描绘平抛物体运动的轨迹_____（填“有”或“没有”）影响。（3）如图所示，在“研究平抛物体运动”的实验中，用一张印有小方格的纸记录轨迹，小方格的边长。若小球在平抛运动途中的几个位置如图所示，则小球平抛的初速度的计算式为_____________（用表示），其值是________（取）；小球在点竖直方向速度的大小是__________。【答案】相同水平BADC没有【详解】（1）[1]为保证小球每次平抛运动的初速度相同，小球要从相同位置由静止滚下；[2]为保证小球做平抛运动，要注意吧斜槽末端调水平；[3]根据平抛运动规律可得；联立解得[4]实验步骤的合理顺序是：BADC（2）[5]只需要小球从斜槽同一高度无初速度滚下，到达斜槽末端水平速度相同即可，小球与斜槽间的摩擦力对描绘平抛物体运动的轨迹没有影响。（3）[6]由于四点相邻两点的水平距离相等，故时间间隔相同，设为T，在竖直方向有水平方向有联立解得[7]带入数据解得[8]小球在b点竖直方向速度的大小为联立解得13．三个同学根据不同的实验条件，进行了“探究平抛运动规律”的实验：（1）甲同学采用如图（1）所示的装置。用小锤打击弹性金属片，金属片把A球沿水平方向弹出，同时B球被松开，自由下落，观察到两球同时落地，改变小锤打击的力度，即改变A球被弹出时的速度，观察到的现象应是___________，这说明___________；（2）乙同学采用如图（2）所示的装置。两个相同的弧形轨道M、N，分别用于发射小铁球P、Q，其中N的末端与可看作光滑的水平板相切；两轨道上端分别装有电磁铁C、D；调节电磁铁C、D的高度，使AC=BD，从而保证小铁球P、Q在轨道出口处的水平初速度v0相等，现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，然后切断电源，使两小铁球能以相同的初速度v0同时分别从轨道M、N的下端射出。实验可观察到的现象应是___________。仅仅改变弧形轨道M的高度，重复上述实验，仍能观察到相同的现象，这说明___________。（3）丙同学采用频闪摄影的方法拍摄到如图（3）所示的“小球做平抛运动”的照片。图中每个小方格的边长为10cm，则由图可求得拍摄时每___________s曝光一次，该小球平抛的初速度大小为___________m/s（g取10m/s2）。【答案】两球同时落地平抛运动在竖直方向上是自由落体运动P、Q二球相碰平