1、实验5探究平抛运动的特点必备知识预案自诊一、实验目的1.学会用实验的方法探究平抛运动的特点。2.掌握描迹法、频闪照相法等探究实验的常用方法。3.能设计不同的实验方案,并对方案进行可行性论证,根据学校现有条件,选择最优方案。4.能获取信息,通过数据分析描绘平抛运动的轨迹。二、实验思路1.提出问题平抛运动是曲线运动,速度和位移的大小和方向时刻在发生变化。这个复杂的曲线运动有什么规律呢?能否分解为两个简单的直线运动?2.科学猜想由于物体是沿水平方向抛出的,在运动过程中只受重力作用。因此平抛运动可能是水平方向和竖直方向分运动的合成。那么只要研究出这两个分运动的特点,平抛运动的规律就清楚了。三、进行实验
2、方案一:利用频闪照相法探究平抛运动的特点数码相机每秒拍下小球做平抛运动时的十几帧或几十帧照片,将照片上不同时刻的小球的位置连成平滑曲线,便得到小球的运动轨迹,由于相邻两帧照片间的时间间隔相等,只要测出相邻两帧照片上小球位置间的水平距离和竖直距离,就很容易判断平抛运动在水平方向和竖直方向的运动特点。1.数据处理(1)建立以抛出点为坐标原点,以小球水平抛出时的初速度方向为x轴正方向,以竖直向下为y轴正方向的直角坐标系。(2)测出相邻两帧照片中小球移动的水平距离和竖直距离。(3)根据水平位移和竖直位移随时间变化的具体数据分析小球水平方向分运动和竖直方向分运动的特点。2.结果分析水平方向的分运动是匀速
3、直线运动,竖直方向的分运动是自由落体运动。方案二:利用描迹法探究平抛运动的特点1.实验器材小钢球、斜槽轨道、木板及竖直固定支架、坐标纸、图钉、重锤、铅笔、三角板、刻度尺等。2.实验步骤实验装置如图所示。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。3.注意事项(1)应保持
4、斜槽末端的切线水平,钉有坐标纸的木板竖直,并使小钢球运动时靠近坐标纸但不接触。(2)小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下,在斜槽上释放小钢球的高度应适当,使小钢球以合适的水平初速度抛出,其轨迹在坐标纸的左上角到右下角间分布,从而减小测量误差。(3)坐标原点(小钢球做平抛运动的起点)不是槽口的端点,应是小钢球在槽口时球心在坐标纸上的水平投影点。方案三:用传感器和计算机描绘物体做平抛运动的轨迹见新教材人教版必修第二册P12拓展学习。关键能力学案突破考点一教材原型实验甲【典例1】(2020安徽阜阳高三月考)用如图甲所示装置研究平抛运动,将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上,钢球沿斜槽轨道
5、PQ滑下后从Q点水平飞出,落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复,白纸上将留下一系列痕迹点。(1)(多选)下列实验条件必须满足的有;A.斜槽轨道光滑B.斜槽轨道末段水平C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究,建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点,钢球的(选填“最上端”“最下端”或“球心”)对应白纸上的位置即为原点;若遗漏记录平抛轨迹的起始点,也可按下述方法处理数据:如图乙所示,在轨迹上取A、B、C三点,A
6、B和BC的水平间距相等且均为x,测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2,则y1y213(选填“”“=”或“xgy2-y1解析(1)通过步骤理解实验原理和方法,控制实验条件,确保平抛的初速度大小一定、方向水平,只要小球无初速度等高释放,由动能定理知,到斜槽末端速度大小一定,和斜槽是否光滑无关;描出的运动轨迹和挡板高度是否等间距变化无关,故选B、D。(2)为了凸显研究质点的运动,应该体现球心,所以选球心为原点;由水平间距相等,知时间相等,若初速度为零,则竖直间距之比应该是13,而A点不是抛出点,故比值应大于13,填写“”;由x=v0t,y2-y1=gt2,可得v0=xgy2-y1。典例2答案(1
7、)末端水平保持小球水平抛出的初速度相同(2)保持相邻痕迹点的水平距离大小相同(3)解析平抛运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。实验前应对实验装置反复调节,直到斜槽末端水平,每次让小球从同一位置由静止释放,是为了保持小球水平抛出的初速度相同。每次将B板向内侧平移距离d,是为了保持相邻痕迹点的水平距离大小相同。对应演练迁移应用1.答案(1)B(2)10 Hz1.5 m/s2.5 m/s解析(1)两球同时落地,可知平抛运动在竖直方向上的运动规律与自由落体运动的规律相同,该实验不能得出平抛运动在水平方向上的运动规律。故选B。(2)在竖直方向上有h=gT2,其中h=(5-3)5c
8、m=10cm=0.1m,代入求得T=0.110s=0.1s,则f=1T=10Hz;水平方向匀速运动,有s=v0t,其中s=15cm=0.15m,t=T=0.1s,代入解得v0=0.150.1m/s=1.5m/s;根据匀变速直线运动中,时间中点的瞬时速度等于该过程的平均速度,在B点有vBy=hAC2T=0.40.2m/s=2m/s,所以B点速度为vB=v02+vBy2=1.52+22m/s=2.5m/s。2.答案(1)水平初速度相同(2)1.6解析(1)为了保证小球的初速度水平,斜槽末端应切线水平,每次让小球从同一位置由静止释放,是为了每次平抛的初速度相同。(2)分析题图乙,O点为抛出点,取坐标
9、点x=32.0cm=0.32my=19.6cm=0.196m在竖直方向上y=12gt2水平方向上x=v0t代入数据解得小球的初速度v0=1.6m/s3.答案(1)保证小球每次做平抛运动的初速度相同(2)xgy2-y1(3)1.00解析(1)每次从斜槽上紧靠挡板处由静止释放小球,是为了使小球离开斜槽末端时有相同的初速度;(2)平抛运动在水平方向上为匀速直线运动,则小球从A到B和从B到C运动时间相等,设为T;竖直方向由匀变速直线运动推论有y2-y1=gT2,且v0T=x,解得v0=xgy2-y1;(3)小球初速度的值为v0=xgy2-y1=0.19.800.148-0.05m/s=1.00m/s。4.答案(1)BD(2)9.78解析(1)小球和轨道间的摩擦影响的是初速度v0,不会造成本实验的误差,故A错误;小球平抛运动过程中受到的空气阻力会影响实验结果,属于系统误差,故B正确;轨道末端未调水平会使小球的运动变成斜上抛或斜下抛,造成的误差属于系统误差,故C错误;测量长度时的读数误差属于偶然误差,故D正确。(2)利用t=xv0算出四组数据对应的时间,求平均值后为t=0.293s,根据h=12gt2,代入时间t的值可得g=9.78m/s2。