高中物理新教材同步必修第二册 第5章 3　实验：探究平抛运动的特点

3 实验：探究平抛运动的特点 [学习目标] 1.知道什么是抛体运动、平抛运动.2.会用运动分解的方法分析两个分运动.3.会设计实验探究 平抛运动两个分运动的特点，会描绘平抛运动的轨迹. 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 (一)实验思路： (1)基本思路：根据运动的分解，把平抛运动分解为不同方向上两个相对简单的直线运动， 分别研究物体在这两个方向的运动特点. (2)平抛运动的分解：可以尝试将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动. (二)进行实验： 方案一：频闪照相(或录制视频)的方法 (1)通过频闪照相(或视频录制)，获得小球做平抛运动时的频闪照片(如图1 所示)； 图1 (2)以抛出点为原点，建立直角坐标系； (3)通过频闪照片描出物体经过相等时间间隔所到达的位置； (4)测量出经过T,2T,3T，…时间内小球做平抛运动的水平位移和竖直位移，并填入表格； (5)分析数据得出小球水平分运动和竖直分运动的特点. 抛出时间 T 2T 3T 4T 5T 水平位移 竖直位移 结论 水平分运动特点 竖直分运动特点 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 图2 (1)如图2 所示，用小锤击打弹性金属片后，A 球做________运动；同时B 球被释放，做____ ______运动.观察两球的运动轨迹，听它们落地的声音. (2)改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，即改变A 球的初速度，发现两球___________ _，说明平抛运动在竖直方向的分运动为______________. 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 为水平装置的可上下调节的向背板倾斜的挡板. 图3 (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木板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，在轨迹上取竖直位移为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(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. (4)坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时钢球球心在木板上的投影点. (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. 一、原理与方法 在探究平抛运动的特点时，可以选用图4 中两种装置进行研究. 图4 (1)图甲的实验现象是__________.该现象说明平抛运动的__________. (2)图乙是实验室内研究平抛运动的装置.为了保证钢球每次抛出后在空中做平抛运动的轨迹 是一定的，每次释放时都使钢球在弧形槽上________位置由________滚下. 答案 (1)两小球总是同时落地 竖直分运动是自由落体运动 (2)同一 静止 解析 (1)题图甲装置用来研究平抛物体在竖直方向的运动规律，观察实验发现两小球总是 同时落地，可知做平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动. (2)题图乙是实验室内研究平抛运动的装置.为了保证钢球每次抛出后在空中做平抛运动的轨 迹是一定的，每次释放时都应使钢球在弧形槽上同一位置由静止滚下，保证其做平抛运动的 初速度相同，从而保证轨迹是一定的. 如图5 所示是采用频闪照相的方法拍摄到的“小球做平抛运动”的照片.背景标尺每 小格边长均为L＝5 cm，则： 图5 (1)由图可知，小球在水平方向做________运动，理由是__________________________. (2)拍摄时每_______ s 曝光一次，平抛运动的初速度为_______ m/s.(取重力加速度g＝10 m/s2) 答案 (1)匀速直线 在水平方向上相等时间内通过相等的位移 (2)0.1 1 解析 设每次曝光时间间隔为T，在竖直方向，根据公式Δx＝aT2，可知2L＝gT2，则T＝＝ 0.1 s；小球在水平方向做匀速直线运动，则v0＝＝＝1 m/s. 二、创新实验设计 (2019·定远育才学校下学期期末)在做“探究平抛运动的特点”的实验中，为了确定 小球不同时刻在空中所通过的位置，实验时用了如图6 所示的装置.先将斜槽轨道的末端调 整水平，在一块平整的木板表面钉上白纸和复写纸.将该木板竖直立于水平地面上，使小球 从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞到木板并在白纸上留下痕迹A；将木板向远离槽口 平移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞在木板上得到痕迹B；将木 板再向远离槽口平移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，得到痕迹C.若测得木 板每次移动距离x＝10.00 cm，A、B 间距离y1＝5.02 cm，B、C 间距离y2＝14.82 cm.请回答 以下问题：(g＝9.80 m/s2) 图6 (1)为什么每次都要使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放？________________________ (2)每次把木板移动相同的水平距离，原因是：____________________________________ ________________________________________________________________________. (3)根据以上直接测量的物理量求得小球初速度的表达式为v0＝_______.(用题中所给字母表 示) (4)小球初速度的值为v0＝________ m/s. 答案 见解析 解析 (1)为了确保小球每次抛出的轨迹相同，应该使抛出时的初速度相同，因此每次都应 使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放； (2)因为小球水平方向做匀速直线运动，由x＝v0t 知，若x 相同，则时间t 相等. (3)在竖直方向上：Δy＝y2－y1＝gt2，t＝ 水平方向上：x＝v0t，初速度：v0＝＝x； (4)代入数据解得：v0＝1.00 m/s. 1.(2019·枣庄八中期中)(1)在做“探究平抛运动的特点”的实验时，让小球多次沿同一轨道运 动，通过描点法画出小球做平抛运动的轨迹，为了能较准确地描绘运动轨迹，下面列出了一 些操作要求，将你认为正确的选项前面的字母填在横线上________. A.通过调节使斜槽的末端保持水平 B.每次释放小球的位置必须不同 C.每次必须由静止释放小球 D.记录小球位置用的木条(或凹槽)每次必须严格地等距离下降 E.小球运动时不应与木板上的白纸(或方格纸)相接触 F.将小球的位置记录在纸上后，取下纸，用直尺将点连成折线 (2)在“研究平抛运动”的实验中，让小球多次从斜槽上滚下，在白纸上依次记下小球的位 置，同学甲和同学乙得到的记录纸分别如图7 甲、乙所示，从图中明显看出甲的实验错误是 __________________________，乙的实验错误是____________________. 图7 答案 (1)ACE (2)斜槽末端不水平 每次由静止释放小球的位置不同 解析 (1)通过调节使斜槽的末端保持水平，可以确保初速度水平，每次释放小球的位置必 须相同且由静止释放，这样才能保证初速度相同，记录距离大致均匀，便于描轨迹即可，小 球运动时不与木板上的白纸(或方格纸)相接触，防止影响运动轨迹，最后应将点用平滑的曲 线相连，故选A、C、E. (2)用平滑曲线描绘出小球的运动轨迹，不难看出题图甲中小球的初速度明显不沿水平方向， 故可推知斜槽末端不水平.题图乙中描绘的点零乱，难以形成一条平滑曲线，可推知初速度 不是每次都相同，即每次由静止释放小球的位置不同. 2.(2019·新乡市高一下学期期末)用如图8 所示的装置探究平抛运动的特点，在一块竖直放置 的背景板上固定两个弧形轨道A、B，用于发射小铁球，从轨道A 射出的小铁球做平抛运动， 从轨道B 射出的小铁球做匀速直线运动.板上还装有三个电磁铁C、D、E，其中电磁铁C、 D 可分别沿轨道A、B 移动.在轨道A 出口处有一个碰撞开关S，用以控制电磁铁E 的电源的 通断，电磁铁E 可以沿水平杆MN 移动，当它吸上小铁球时，该小铁球的中心与从轨道A 末 端射出的小铁球的中心在同一水平线上. 图8 (1)实验中，轨道A 末端的切线必须是水平的，这样做的目的是________； A.保证小铁球飞出时，速度既不太大，也不太小 B.保证小铁球飞出时，初速度水平 C.保证小铁球在空中运动的时间每次都相等 D.保证小铁球运动的轨迹是一条抛物线 (2)若轨道A、B 出口方向平行但略向下倾斜，将小铁球1 从某高度静止释放，小铁球落在轨 道B 的P 点，将电磁铁E 移至P 点正上方，将小铁球1 和小铁球3 同时释放，先到达P 点的 是________； (3)若轨道A、B 出口均水平，调节小铁球3 的水平位置多次实验，发现小铁球1 和小铁球3 总是在空中相碰，则说明小铁球1 在竖直方向上做________运动. 答案 (1)B (2)小铁球1 (3)自由落体 解析 (1)平抛运动的初速度沿水平方向，故为了保证小铁球飞出时初速度水平，实验中， 轨道A 末端的切线必须是水平的，B 正确； (2)由于轨道A 出口向下倾斜，则射出后，小铁球1 有竖直方向上的初速度，并且与小铁球3 下降的高度相同，而小铁球3 竖直方向上的初速度为零，故小铁球1 先到达P 点； (3)发现小铁球1 和小铁球3 总是在空中相碰，说明两者在竖直方向上的运动性质相同，故说 明小铁球1 在竖直方向上做自由落体运动. 3.(2018·首师大附中期中)(1)平抛物体的运动规律可以概括为两点：①水平方向做匀速运动， ②竖直方向做自由落体运动.为了研究平抛物体的运动，可做下面的实验：如图9 所示，用 小锤打击弹性金属片，A 球就水平飞出，同时B 球被松开，做自由落体运动，两球同时落到 地面，改变高度，重复实验，观察到相同现象，这个实验________. 图9 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 (2)在做研究平抛运动的实验时，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.如图乙所示是用一张印有小方格的纸记录的轨迹，小方格的边长为L，小球在平 抛运动途中的几个位置如图乙中的a、b、c、d 所示，则由图乙可知小球从a 运动到b 和从b 运动到c 的时间是________(选填“相等”或“不相等”)的，小球从a 运动到b 的时间Δt＝ ________，小球做平抛运动的初速度为v0＝________(用L、g 表示). 答案 (1)B (2)相等 2 解析 (1)该实验中两小球是同时落地的，能说明A 球在竖直方向的分运动与B 球的运动完 全相同，选项B 正确. (2)小球做平抛运动，水平方向的分运动是匀速直线运动，由题图乙可知，小球从a 到b 与从 b 到c 的水平位移相等，因此时间相等.在竖直方向上，位移的增量满足关系Δx＝g(Δt)2，则 小球从a 运动到b 的时间为Δt＝.水平位移2L＝v0Δt，结合前式可得v0＝2.