53实验探究平抛运动的特点.docx
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53实验探究平抛运动的特点
第3节 实验:
探究平抛运动的特点
【学习目标】
1.知道抛体运动和平抛运动,知道用运动分解的方法研究平抛运动。
2.知道平抛运动的条件及相应控制方法,会用获得位置的方法确定多个点,并会描绘平抛运动的轨迹。
3.会根据平抛运动的轨迹,研究平抛运动水平和竖直分运动的特点。
4.通过探究平抛运动特点的实验,了解科学探究中获取及处理数据的方法。
【问题导入】
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。
如果初速度是沿水平方向的,这样的抛体运动就叫作平抛运动。
下面我们通过实验来探究物体做平抛运动的特点。
在实验开始前,请思考以下问题:
(1)平抛运动的轨迹是曲线,我们应当用什么方法来研究曲线运动?
(2)平抛运动应分解为哪两个方向的运动?
为什么?
(3)根据两个方向的受力与运动情况,你认为平抛运动在两个方向上的分运动应是什么运动?
(4)分析物体运动的特点,就是研究物体的速度和位移随时间的变化关系。
位移和速度哪个物理量更方便测量?
如何通过实验获得所需信息?
【学习过程】
一、实验思路
平抛运动的轨迹是曲线,速度和位移的方向都在时刻变化,比直线运动复杂。
我们可以按照把复杂的曲线运动分解为两个相对简单的直线运动的思路。
由于物体是沿水平方向抛出的,在运动过程中只受到竖直向下的重力作用,因此我们可以尝试将平抛运动分解成水平方向的分运动和竖直方向的分运动。
如果这两个分运动研究清楚了,平抛运动的规律自然就清楚了。
二、进行实验
(一)对比法研究平抛运动特点
1.探究平抛运动竖直方向分运动的特点
在如图所示的实验中,用小锤击打弹性金属片后,A球沿水平方向抛出,做平抛运动,同时B球被释放,自由下落,做自由落体运动。
A、B两球同时开始运动。
观察两球的运动轨迹,比较它们落地时间的先后。
分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度,多次重复这个实验,记录实验现象。
分析:
A球做平抛运动,B做自由落体运动,经多次实验,两球同时释放并能观察到两球同时落地。
可对比确定平抛运动竖直方向的分运动为自由落体运动。
2.探究平抛运动水平方向分运动的特点
如图所示,两相同小球分别从A、B处同时滚下,一球做平抛运动,另一球沿光滑的水平轨道运动。
改变小球下滑时的高度,观察球是否始终能够相碰。
分析:
经多次实验,两球在同一高度同时释放并能观察到两球发生碰撞,因而可以确定两小球在水平方向的运动是相同的,即平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动。
(二)轨迹发研究平抛运动特点
参考案例1
通过用频闪照相或者录制视频的方法,可以记录物体在不同时刻的位置。
如图所示。
以小球球心作为小球位置,分别将不同位置的小球球心投影到水平方向和竖直方向的坐标轴上。
考虑到频闪(截屏)时间间隔相等,根据相邻时间间隔内水平方向的位移相同,可判断水平方向是匀速运动;根据相邻时间间隔内竖直方向增加的位移相同,可判断竖直方向是匀加速运动。
参考案例2
首先研究某一方向分运动的特点(可以是水平方向,也可以是竖直方向),然后设法描绘出平抛运动的轨迹,最后根据平抛运动轨迹和某一方向分运动特点分得到另一方向分运动的特点。
1.实验过程
步骤1:
探究平抛运动竖直分运动的特点
可参考对比法中探究平抛运动竖直方向分运动的特点的方法。
步骤2:
探究平抛运动水平方向分运动的特点
(1)描绘平抛运动轨迹:
在如图所示的装置中,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。
(2)验证水平方向运动特点:
根据步骤1得出的平抛运动在竖直方向分速度随时间变化的规律,设法确定“相等的时间间隔”。
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。
2.问题探究
(1)对于从斜槽上滚出的小球,如何保证小球水平抛出?
(2)用什么方法记录小球的位置?
(3)能否同时记录小球在不同时刻的位置?
如果需要多次实验才能记录多个时刻的位置,如何确保运动的同一性?
(4)所记录的多个小球位置之间的时间间隔相等吗?
为了获取相同时间间隔的点,有什么办法?
(5)为了定量研究需要建立坐标系,坐标原点在哪里?
坐标轴如何确定?
(6)如何画出轨迹?
如何在轨迹上确定时间间隔相等的点?
(7)如图所示,这些点之间的水平位移存在什么特点?
说明了水平方向的运动是什么运动?
能写出水平方向的速度与位移的表达式吗?
(8)如果实验的结果与你的推论之间有一些差异,原因可能有哪些?
3.注意事项
(1)斜槽安装:
实验中必须调整斜槽末端的切线水平(检验是否水平的方法是:
将小球放在斜槽末端水平部分,看小球能否静止,若小球静止,则斜槽末端水平)。
(2)方木板固定:
方木板必须处于竖直平面内,固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。
(3)小球释放:
小球每次必须从斜槽上同一位置由静止滚下,小球开始滚下的位置高度要适中,以使小球平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。
(4)坐标原点:
坐标原点不是槽口的端点,应是小球出槽口时球心在木板上的投影点。
(5)初速度的计算:
在轨迹上选取离坐标原点O点较远的一些点来计算初速度。
【考点研析】
[例1]
(1)(多选)在做“研究平抛运动”实验时,除了木板、小球、斜槽、铅笔、图钉之外,下列器材中还需要的有________.
A.游标卡尺 B.秒表 C.坐标纸 D.天平 E.弹簧测力计 F.重垂线
(2)(多选)实验中,下列说法正确的是________.
A.应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滑下
B.斜槽轨道必须光滑
C.要使描出的轨迹更好地反映真实运动,记录的点应适当多一些
D.斜槽轨道末端可以不水平
(3)(多选)引起实验结果偏差较大的原因可能是____________.
A.安装斜槽时,斜槽末端切线方向不水平
B.确定Oy轴时,没有用重垂线
C.斜槽不是绝对光滑的,有一定摩擦
D.空气阻力对小球运动有较大影响
[解析]
(1)实验中需要在坐标纸上记录小球的位置,描绘小球的运动轨迹,需要利用重垂线确定坐标轴的y轴.故C、F是需要的.
(2)使小球从斜槽上同一位置滚下,才能保证每次的轨迹相同,A正确.斜槽没必要必须光滑,只要能使小球飞出的初速度相同即可,B错误.实验中记录的点越多,轨迹越精确,C正确.斜槽末端必须水平,才能保证小球离开斜槽后做平抛运动,D错误.
(3)小球从斜槽末端飞出时,斜槽切线不水平,y轴方向不沿竖直方向,空气阻力对小球运动有较大影响,都会影响小球的运动轨迹或计数点的坐标值,从而引起较大的实验误差,而斜槽不绝对光滑只会影响小球平抛的初速度大小,不会影响实验结果偏差大小,故A、B、D正确.
[答案]
(1)C、F
(2)AC (3)ABD
[变式训练1-1]在“研究平抛物体的运动”的实验中:
(1)为使小球水平抛出,必须调整斜槽,使其末端的切线成水平方向,检查方法是
_______________________________________________________
______________________________________________________.
(2)小球抛出点的位置必须及时记录在白纸上,然后从这一点画水平线和竖直线作为x轴和y轴,竖直线是用__________来确定的.
(3)某同学建立的直角坐标系如图所示,如果他在安装实验装置和其余操作时准确无误,只有一处失误,即是__________________
______________________________________________________.
(4)该同学在轨迹上任取一点M,测得坐标为(x,y),则初速度的测量值为________,测量值比真实值要________(选填“偏大”“偏小”或“不变”).
[解析]
(1)水平时小球处处平衡,放在槽口能静止不动.
(2)用重垂线来确定竖直线最准确.
(3)描绘小球的运动轨迹时应是描绘球心的位置,因此坐标原点应在平抛起点的球心位置,即坐标原点应该是小球在槽口时球心在白纸上的水平投影点.
(4)根据x=v0t,y=
gt2,两式联立得:
v0=x
,因为坐标原点靠下,造成y值偏小,从而v0偏大.
[答案]
(1)将小球放置在斜槽末端水平轨道上,小球能保持静止
(2)重垂线 (3)坐标原点应该是小球在槽口时球心在白纸上的水平投影点 (4)v0=x
偏大
【巩固训练】
1.(多选)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( )
甲 乙 丙
A.选用图甲装置研究平抛物体的竖直分运动时,应该用眼睛看A、B两球是否同时落地
B.选用图乙装置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.选用图丙装置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.除上述装置外,还可以用数码照相机拍摄钢球做平抛运动时每秒15帧的录像以获得平抛运动的轨迹
BD [小球下落的速度很快,运动时间很短,用眼睛很难准确判断出小球落地的先后顺序,应听声音,选项A不合理;竖直管的上端A应低于水面,这是因为竖直管与空气相通,A处的压强始终等于大气压,不受瓶内水面高低的影响,因此可以得到稳定的细水柱,选项B正确;只有每次从同一高度释放钢球,钢球做平抛运动的初速度才相同,选项C错误;获得每秒15帧的录像就等同于做平抛运动实验时描方格图的方法,同样可以探究平抛运动的规律,选项D正确.]
2.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:
如右图所示,用小锤打击金属片,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,这个实验说明( )
A.做平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动
B.做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动
C.A、B项中所述都能说明
D.A、B项中所述都不能说明
答案:
A
解析:
因金属片受到小锤的打击,向前推动小球A,使A球做平抛运动,同时小球B从孔中自由落下,做自由落体运动,A、B两球同时落地.A球的水平初速度并不影响A球在竖直方向上的运动,说明了两球在竖直方向上具有相同的运动规律,故选项A正确.
3.在“探究平抛运动的规律”实验中,小球做平抛运动的坐标原点位置是(设小球半径为r)( )
A.斜槽口末端O点
B.槽口O点正上方r处
C.槽口O点正前方r处
D.槽口O点正上方2r处
答案:
B
解析:
以小球离开斜槽时重心的位置当作原点最适合.
4.研究平抛运动,下面哪些做法可以减小实验误差( )
A.使用密度大、体积小的钢球
B.尽量减小钢球与斜槽间的摩擦
C.实验时,让小球每次都从同一高度由静止开始滚下
D.使斜槽末端的切线保持水平
答案:
ACD
解析:
使用密度大、体积小的钢球,可以减小空气阻力;钢球与斜槽之间的摩擦每次实验时都相等,小球离开斜槽末端时速度都相同,因此,没有必要考虑斜槽与钢球之间的摩擦大小;每次实验都让小球从同一高度由静止滚下,可以保证小球离开斜槽末端的速度相同;使斜槽末端的切线保持水平,可以保证小球做平抛运动.
5.下列哪些因素会使“探究平抛运动的规律”实验误差增大( )
A.小球与斜槽之间有摩擦
B.安装斜槽时其末端不水平
C.建立坐标系时,以斜槽末端端口位置为坐标原点
D.根据曲线计算平抛运动的初速度时,在曲线上取作计算的点离原点O较近
答案:
BCD
解析:
小球与斜槽之间的摩擦并不影响平抛运动,不能选A.斜槽末端不水平,以斜槽末端端口为坐标原点,在曲线上取离原点O较近的点,都对测量数据影响较大.
6.为了准确地测出平抛轨迹上某点的坐标,需要注意的是( )
A.选距原点近一些的点
B.应正确标出平抛小球的球心在木板上的水平投影点
C.用重垂线准确地确定纵轴
D.选距原点远一些的点
答案:
BCD
解析:
B、C、D能更准确地确定小球的运动轨迹和运动的数据.
7.关于实验的注意事项,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可以不同
c.每次必须由静止从同一位置释放小球
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.小球运动时不应与竖直木板上的白纸(或方格纸)相接触
f.将球的位置记录在纸上后,取下纸,用直尺将点连成折线
答案:
ace
8.在“探究平抛运动的运动规律”的实验中,可以描绘出小球平抛运动的轨迹,实验简要步骤如下:
A.让小球多次从________位置滚下,记下小球碰到铅笔笔尖的一系列位置.
B.按图安装好器材,注意__________________,记下平抛初位置O点和过O点的竖直线.
C.取下白纸,以O为原点,以竖直线为y轴建立坐标系,用平滑曲线画平抛运动物体的轨迹.
完成上述步骤,正确的实验顺序是_____________________.
[解析] 安装器材时,应使斜槽末端水平,以保证小球做平抛运动.实验中,每次小球应从同一位置下落,以保证每次的运动轨迹都相同.
[答案] 同一 斜槽末端水平 BAC
9.两个同学根据不同的实验条件,进行了“研究平抛运动”的实验:
甲 乙
(1)甲同学采用如图甲所示的装置.用小锤击打弹性金属片,使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,改变小锤击打的力度,即改变A球被弹出时的速度,两球仍然同时落地,这说明_________________________________________
_______________________________________________________
______________________________________________________.
(2)乙同学采用如图乙所示的装置.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的末端可看作与光滑的水平板相切,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,使两小球同时以相同的初速度v0分别从轨道M、N的末端射出.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
_______________________________________________________
______________________________________________________.
[解析]
(1)通过对照实验,说明两球具有等时性,由此说明做平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动.
(2)两球在水平轨道上相遇,水平方向运动情况相同,说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动.
[答案]
(1)做平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动
(2)P球击中Q球 做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动
10.如图甲是研究平抛运动的实验装置图,图乙是实验后在白纸上作的图.
甲 乙
(1)在甲图上标出O点及Ox、Oy轴,并说明这两条坐标轴是如何作出的.答:
______________________________________________
______________________________________________________.
(2)固定斜槽轨道时应注意使______________________________
______________________________________________________.
(3)实验过程中需经过多次释放小球才能描绘出小球平抛运动的轨迹,实验中应注意______________________________________.
(4)计算小球平抛初速度的公式v0=________,根据图乙给出的数据,可计算出v0=________m/s.
[解析]
(1)如图所示,在斜槽末端小球球心在白纸上的投影为O点,从O点开始作平行重垂线向下的直线为Oy轴,再垂直于Oy作Ox轴.
(2)为了保证小球离开斜槽时的速度沿水平方向,应调整斜槽使底端切线沿水平方向.
(3)为了保证小球每次做平抛运动的轨迹一致,要求它的初速度相同,故每次都让小球从斜槽的同一高度处无初速度滚下.
(4)由于x=v0t,y=
gt2,故初速度v0=x
,根据图乙给出的数据,可计算出v0=1.6m/s.
[答案]
(1)图见解析 利用重垂线作Oy轴,再垂直于Oy作Ox轴
(2)底端切线沿水平方向
(3)每次都从同一高度处无初速度滚下
(4)x
1.6
11.某同学在做平抛运动实验时得到了如图所示的物体运动轨迹,a、b、c三点的位置在运动轨迹上已标出.则
(1)小球平抛的初速度为________m/s.(g=10m/s2)
(2)小球在b点瞬时速度vb=________m/s.
(3)小球开始做平抛运动的位置坐标为:
x=________cm,y=________cm.
答案:
(1)2'
(2)2.5'(3)-10'-1.25
解析:
(1)由平抛运动公式在x方向上xab=v0T,在竖直方向上hbc-hab=gT2,代入数据解得T=0.1s,v0=2m/s.
(2)设小球在b点竖直速度vby
则vby=
=1.5m/s
所以vb=
=2.5m/s.
(3)小球从开始运动到经过b时历时tb=
=0.15s,说明小球经过a点时已经运动了时间ta=0.05s,所以小球的出发点在第三象限,其坐标为x=-v0ta=-10cm;y=-
gt
=-1.25cm.
12.[2012·四川高考题改编]某物理兴趣小组采用如右图所示的装置深入研究平抛运动.A、B小球处于同一高度,M为A球中心初始时在水平地面上的垂直投影.用小锤打击弹性金属片,使A球沿水平方向飞出,同时松开B球,B球自由下落.A球落到地面N点处,B球落到地面P点处.测得B球距地面的高度是1.225m,M、N两点间的距离为1.500m,则B球落到P点的时间为________s,A球落地时的速度为________m/s.(忽略空气阻力,g取9.8m/s2)
答案:
0.5'5.7
解析:
(1)B球做自由落体运动,根据自由落体运动规律可得h=
gt2,解得t=
=0.5s;A球做平抛运动,运动的时间与B球相同,为t=0.5s,A球水平方向的分速度为v0=
=
m/s=3.0m/s,A球落地时竖直方向的分速度为vy=gt=9.8×0.5m/s=4.9m/s,所以A球落地时的速度为v=
=5.7m/s.
10.[2013·无锡高一检测]某同学利用图(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边长均代表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9.8m/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|=________m,|y1-y3|=________m,|x1-x2|=________m.(保留两位小数)
(2)若已测知抛出后小球在水平方向上做匀速运动,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________s,小球抛出后的水平速度为________m/s.(均可用根号表示)
答案:
(1)0.60'1.60'0.60'
(2)
'
(或2.97)
解析:
(1)由题图(乙)可知P1到P2两点在竖直方向的间隔为6格,P1到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到P2两点在水平方向的距离为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,竖直方向根据Δy=gt2,解得t=
s,则有v0=
=
m/s=
m/s≈2.97m/s.
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