2022版?zhèn)鋺?zhàn)老高考一輪復習物理實驗五 探究平拋運動的特點 教案

實驗五探究平拋運動的特點目標要求1.知道平拋運動的特點是初速度水平，只有豎直方向受重力作用.2.知道平拋運動軌跡是拋物線，會在實驗中描繪其軌跡.3.通過描繪的平拋運動軌跡，會計算物體的初速度．實驗技能儲備1．實驗思路用描跡法逐點畫出小鋼球做平拋運動的軌跡，判斷軌跡是否為拋物線并求出小鋼球的初速度．2．實驗器材末端水平的斜槽、背板、擋板、復寫紙、白紙、鋼球、刻度尺、重垂線、三角板、鉛筆等．3．實驗過程(1)安裝、調整背板：將白紙放在復寫紙下面，然后固定在裝置背板上，并用重垂線檢查背板是否豎直．圖1(2)安裝、調整斜槽：將固定有斜槽的木板放在實驗桌上，用平衡法檢查斜槽末端是否水平，也就是將小球放在斜槽末端直軌道上，小球若能靜止在直軌道上的任意位置，則表明斜槽末端已調水平，如圖1.(3)描繪運動軌跡：讓小球在斜槽的某一固定位置由靜止?jié)L下，并從O點開始做平拋運動，小球落到傾斜的擋板上，擠壓復寫紙，會在白紙上留下印跡．取下白紙用平滑的曲線把這些印跡連接起來，就得到小球做平拋運動的軌跡．(4)確定坐標原點及坐標軸：選定斜槽末端處小球球心在白紙上的投影的點為坐標原點O，從坐標原點O畫出豎直向下的y軸和水平向右的x軸．4．數(shù)據(jù)處理(1)判斷平拋運動的軌跡是不是拋物線如圖2所示，在x軸上作出等距離的幾個點A1、A2、A3…，把線段OA1的長度記為l，則OA2＝2l，OA3＝3l，由A1、A2、A3…向下作垂線，與其軌跡交點分別記為M1、M2、M3…，若軌跡是一條拋物線，則各點的y坐標和x坐標之間應該具有y＝ax2的關系(a是待定常量)，用刻度尺測量某點的x、y兩個坐標值代入y＝ax2求出a，再測量其他幾個點的x、y坐標值，代入y＝ax2，若在誤差范圍內都滿足這個關系式，則這條曲線是一條拋物線．圖2(2)計算平拋物體的初速度情景1：若原點O為拋出點，利用公式x＝v0t和y＝eq\f(1,2)gt2即可求出多個初速度v0＝xeq\r(\f(g,2y))，最后求出初速度的平均值，這就是做平拋運動的物體的初速度．情景2：若原點O不是拋出點①在軌跡曲線上取三點A、B、C，使xAB＝xBC＝x，如圖3所示．A到B與B到C的時間相等，設為T.圖3②用刻度尺分別測出yA、yB、yC，則有yAB＝y(tǒng)B－yA，yBC＝y(tǒng)C－yB.③yBC－yAB＝gT2，且v0T＝x，由以上兩式得v0＝xeq\r(\f(g,yBC－yAB)).5．注意事項(1)固定斜槽時，要保證斜槽末端的切線水平，以保證小球的初速度水平，否則小球的運動就不是平拋運動了．(2)小球每次從槽中的同一位置由靜止釋放，這樣可以確保每次小球拋出時的速度相等．(3)坐標原點(小球做平拋運動的起點)不是槽口的端點，應是小球在槽口時，球的球心在背板上的水平投影點．考點一教材原型實驗例1(2019·廣東佛山市調研)在“探究平拋運動的特點”的實驗中：(1)為使小球水平拋出，必須調整斜槽，使其末端的切線成水平方向，檢查方法是________________________________________________________________________．(2)小球拋出點的位置必須及時記錄在白紙上，然后從這一點畫水平線和豎直線作為x軸和y軸，豎直線是用________________來確定的．(3)驗證實驗得到的軌跡是否準確的一般方法是：在水平方向從起點處取兩段連續(xù)相等的位移，再作平行于y軸的直線交于曲線兩點，則兩段y軸位移大小之比為________．(4)某同學建立的直角坐標系如圖4所示．設他在安裝實驗裝置和其余操作時準確無誤，只有一處失誤，即是_______________________________________________________________.圖4(5)該同學在軌跡上任取一點M，測得坐標為(x，y)，已知小球的直徑為d，則他測得的初速度大小為________，而真實值為________．答案(1)小球能靜止在斜槽末端水平部分的任意位置(2)重垂線(3)1∶3(4)坐標原點標記錯誤(5)xeq\r(\f(g,2y))xeq\r(\f(g,2y＋d))解析(4)坐標原點在小球球心處而不是槽的末端．(5)小球平拋時，根據(jù)x＝v0t，y＝eq\f(1,2)gt2，得v0＝xeq\r(\f(g,2y))，由于豎直位移的真實值為y＋eq\f(d,2)，則初速度的真實值為v0真＝xeq\r(\f(g,2y＋\f(d,2)))＝xeq\r(\f(g,2y＋d)).例2(2019·北京卷·21改編)用如圖5所示裝置研究平拋運動．將白紙和復寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上．鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點飛出，落在水平擋板MN上．由于擋板靠近硬板一側較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側面會在白紙上擠壓出一個痕跡點．移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復，白紙上將留下一系列痕跡點．圖5(1)下列實驗條件必須滿足的有________．A．斜槽軌道光滑B．斜槽軌道末端水平C．擋板高度等間距變化D．每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球(2)為定量研究，建立以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的坐標系．a(chǎn)．取平拋運動的起始點為坐標原點，將鋼球靜置于Q點，鋼球的________(選填“最上端”“最下端”或者“球心”)對應白紙上的位置即為原點；在確定y軸時________(選填“需要”或者“不需要”)y軸與重垂線平行．b．若遺漏記錄平拋軌跡的起始點，也可按下述方法處理數(shù)據(jù)：如圖6所示，在軌跡上取A、B、C三點，AB和BC的水平間距相等且均為x，測得AB和BC的豎直間距分別是y1和y2，則eq\f(y1,y2)________eq\f(1,3)(選填“大于”“等于”或者“小于”)．可求得鋼球平拋的初速度大小為________(已知當?shù)刂亓铀俣葹間，結果用上述字母表示)．圖6(3)為了得到平拋物體的運動軌跡，同學們還提出了以下三種方案，其中可行的是________．A．用細管水平噴出穩(wěn)定的細水柱，拍攝照片，即可得到平拋運動軌跡B．用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置，平滑連接各位置，即可得到平拋運動軌跡C．將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，將會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡(4)伽利略曾研究過平拋運動，他推斷：從同一炮臺水平發(fā)射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠，在空中飛行的時間都一樣．這實際上揭示了平拋物體________．A．在水平方向上做勻速直線運動B．在豎直方向上做自由落體運動C．在下落過程中機械能守恒答案(1)BD(2)a.球心需要b．大于xeq\r(\f(g,y2－y1))(3)AB(4)B解析(1)因為本實驗是研究平拋運動，只需要每次實驗都能保證鋼球做相同的平拋運動，即每次實驗都要保證鋼球從同一高度無初速度釋放并水平拋出，沒必要要求斜槽軌道光滑，因此A錯誤，B、D正確；擋板高度可以不等間距變化，故C錯誤．(2)a.因為鋼球做平拋運動的軌跡是其球心的軌跡，故將鋼球靜置于Q點，鋼球的球心對應白紙上的位置即為坐標原點(平拋運動的起始點)；在確定y軸時需要y軸與重垂線平行．b.由于平拋的豎直分運動是自由落體，故相鄰相等時間內豎直方向上位移之比為1∶3∶5…，故兩相鄰相等時間內豎直方向上的位移之比越來越大．因此eq\f(y1,y2)＞eq\f(1,3)；由y2－y1＝gT2，x＝v0T，聯(lián)立解得v0＝xeq\r(\f(g,y2－y1)).(3)將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，由于鉛筆受摩擦力作用，且不一定能始終保證鉛筆水平，鉛筆將不能始終保持垂直白紙板運動，鉛筆將發(fā)生傾斜，故不會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡，故C不可行，A、B可行．(4)從同一炮臺水平發(fā)射的炮彈，如果不受空氣阻力，可認為做平拋運動，因此不論它們能射多遠，在空中飛行的時間都一樣，這實際上揭示了平拋物體在豎直方向上做自由落體運動，故選項B正確．1．(2017·浙江4月選考·17)在“研究平拋運動”實驗中，(1)圖7是橫擋條卡住平拋小球，用鉛筆標注小球最高點，確定平拋運動軌跡的方法，坐標原點應選小球在斜槽末端點時的________．圖7A．球心B．球的上端C．球的下端在此實驗中，下列說法正確的是________．A．斜槽軌道必須光滑B．記錄的點應適當多一些C．用平滑曲線把所有的點連接起來D．y軸的方向根據(jù)重垂線確定(2)圖8是利用實驗裝置拍攝小球做平拋運動的頻閃照片，由照片可判斷實驗操作錯誤的是________．圖8A．釋放小球時初速度不為0B．釋放小球的初始位置不同C．斜槽末端切線不水平(3)如圖是利用穩(wěn)定的細水柱顯示平拋運動軌跡的裝置，其中正確的是________．答案(1)BBD(2)C(3)B解析(1)因用鉛筆標注小球最高點來確定平拋運動軌跡，故坐標原點應選小球在斜槽末端點時的球的上端，所以選B.實驗過程中，斜槽不一定光滑，只要能夠保證從同一位置由靜止釋放，即使軌道粗糙，摩擦力做功是相同的，離開斜槽末端的速度就是一樣的，選項A錯誤；記錄的點適當多一些，能夠保證描點平滑，選項B正確；作圖時，要使盡可能多的點在所作曲線上，不在曲線上的點應盡可能均勻分布在所作曲線兩側，選項C錯誤；y軸必須是豎直方向的，即用重垂線確定，選項D正確．(2)由題圖可知斜槽末端切線不水平，才會造成小球做斜拋運動，故選C.(3)插入瓶中的另一根吸管使得吸管上出口處壓強與外界氣壓相等，是為了保證水流流速不受瓶內水面下降而減小，能保證水面下降的一段時間內，得到穩(wěn)定的細水柱，所以選B.2．實驗小組做“探究平拋運動的特點”實驗：(1)如圖9是某同學根據(jù)實驗畫出的平拋小球的運動軌跡，O為平拋的起點，在軌跡上任取三點A、B、C，測得A、B兩點豎直坐標y1＝5.0cm、y2＝45.0cm，A、B兩點水平間距為Δx＝60.0cm，則平拋小球的初速度v0為________m/s.(結果保留兩位有效數(shù)字，取g＝10m/s2)圖9(2)該同學在實驗時忘記描下O點，他用一張印有小方格的紙記錄小球運動軌跡，小方格的邊長為L，若小球在平拋運動途中的三個位置如圖10中的A、B、C所示，(當?shù)刂亓铀俣葹間，以下問題用已知量對應的字母表示)則：圖10①小球從A到C的時間為________．②小球經(jīng)過B點時速度的水平分速度為________．③小球在C點時速度的豎直分速度為________．答案(1)3.0(2)①2eq\r(\f(2L,g))②eq\f(3\r(2gL),2)③3eq\r(2gL)解析(1)根據(jù)平拋運動的處理方法，小球在豎直方向做自由落體運動，水平方向做勻速直線運動，所以y1＝eq\f(1,2)gt12、y2＝eq\f(1,2)gt22，水平方向的速度即平拋小球的初速度為v0＝eq\f(Δx,t2－t1)，聯(lián)立解得v0＝3.0m/s.(2)①在豎直方向上，根據(jù)Δy＝2L＝gT2得，T＝eq\r(\f(2L,g))，則A到C的時間t＝2T＝2eq\r(\f(2L,g)).②小球經(jīng)過B點時速度的水平分速度vx＝eq\f(6L,2T)＝eq\f(3\r(2gL),2).③小球在B點時速度的豎直分速度vyB＝eq\f(8L,2T)＝2eq\r(2gL)，則小球在C點時速度的豎直分速度vyC＝vyB＋gT＝3eq\r(2gL).考點二拓展創(chuàng)新實驗例3在做“探究平拋運動的特點”實驗中，為了確定小球在不同時刻在空中所通過的位置，實驗時用了如圖11所示的裝置，先將斜槽軌道的末端調至水平，在一塊平整的木板表面釘上白紙和復寫紙．將該木板豎直立于水平地面上(木板表面垂直于紙面)，使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞到木板并在白紙上留下痕跡A；將木板向遠離槽口平移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞在木板上得到痕跡B；又將木板再向遠離槽口平移距離x，小球再從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，再得到痕跡C.若測得木板每次移動距離x＝10.00cm，A、B間距離y1＝7.02cm，B、C間距離y2＝16.82cm.請回答下列問題：(g＝9.80m/s2)圖11(1)為什么每次都要使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放？__________________________________________________________________________________________________(2)小球初速度大小v0＝________m/s.(結果保留三位有效數(shù)字)(3)小球到達B點的速度在豎直方向分量vBy＝________m/s.(結果保留三位有效數(shù)字)答案(1)這樣可以保證小球每次做平拋運動的初速度相同(2)1.00(3)1.19解析(1)這樣可以保證小球運動到斜槽末端時速度相等，那么小球每次做平拋運動的初速度相同．(2)在豎直方向上Δy＝y(tǒng)2－y1＝gT2，水平方向上x＝v0T，代入數(shù)據(jù)解得v0＝1.00m/s.(3)小球做平拋運動，在豎直方向上是勻加速直線運動，則vBy＝eq\f(y1＋y2,2T)，得vBy≈1.19m/s.3．在做“探究平拋運動的特點”的實驗時：(1)鋼球拋出點的位置必須及時記錄在白紙上，然后從這一點畫水平線和豎直線作為x軸和y軸，豎直線是用________來確定的．(2)某同學通過實驗得到的軌跡如圖12所示，由軌跡可知，豎直距離yOA∶yAB∶yBC＝________，tOA∶tAB∶tBC＝________，這表明豎直方向是初速度為________的________運動．圖12(3)該同學在軌跡上選取間距較大的幾個點，測出其坐標，并在直角坐標系內繪出了y－x2圖像，此平拋物體的初速度v0＝0.49m/s，則豎直方向的加速度g＝________m/s2.(結果保留3位有效數(shù)字)答案(1)重垂線(2)1∶3∶51∶1∶1零勻加速直線(3)9.60解析(1)豎直方向用重垂線確定，因為小球在豎直方向所受的重力是豎直向下的．(2)由軌跡可知，豎直距離yOA∶yAB∶yBC＝1∶3∶5；由于水平距離xOA＝xAB＝xBC，則tOA＝tAB＝tBC，所以tOA∶tAB∶tBC＝1∶1∶1，在連續(xù)相等的時間內，豎直方向的位移之比為1∶3∶5…，表明豎直方向是初速度為零的勻加速直線運動，O點就是拋出點．(3)豎直方向有y＝eq\f(1,2)gt2，水平方向有x＝v