2020版高中物理（新教材）人教必修第2冊(cè)：第5章 3 實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

3．實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)【學(xué)習(xí)素養(yǎng)·明目標(biāo)】物理觀念：1.學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)的方法描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.2.會(huì)判斷平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是不是拋物線.3.掌握描跡法、頻閃照相法等探究實(shí)驗(yàn)的常用方法．科學(xué)探究：1.能設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)方案進(jìn)行可行性論證，根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有條件，選擇最優(yōu)方案.2.能獲取信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.3.在合作探究、交流、反思過(guò)程中提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?、拋體運(yùn)動(dòng)1．定義以一定的速度將物體拋出，物體只受重力作用的運(yùn)動(dòng)．2．平拋運(yùn)動(dòng)初速度沿水平方向的拋體運(yùn)動(dòng)．3．平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(1)初速度沿水平方向．(2)只受重力作用．二、描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡1．實(shí)驗(yàn)原理用描跡法(噴水法或頻閃照相法)得到物體平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡．2．實(shí)驗(yàn)器材斜槽、小球、方木板、圖釘、刻度尺、鉛垂線、鉛筆、白紙、鐵架臺(tái)．3．實(shí)驗(yàn)步驟方法一：描跡法(1)安裝調(diào)整①將帶有斜槽軌道的木板固定在實(shí)驗(yàn)桌上，使其末端伸出桌面，軌道末端切線水平．②用圖釘將坐標(biāo)紙固定于豎直木板的左上角，把木板調(diào)整到豎直位置，使板面與小球的運(yùn)動(dòng)軌跡所在平面平行且靠近．如圖所示，(2)建坐標(biāo)系：把小球放在槽口處，用鉛筆記下小球在槽口(軌道末端)時(shí)球心所在木板上的投影點(diǎn)O，O點(diǎn)即為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用重垂線畫(huà)出過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的豎直線作為y軸，畫(huà)出水平向右的x軸．(3)確定小球位置①將小球從斜槽上某一位置由靜止?jié)L下，小球從軌道末端射出，先用眼睛粗略確定做平拋運(yùn)動(dòng)的小球在某一x值處的y值．②讓小球由同一位置自由滾下，在粗略確定的位置附近用鉛筆較準(zhǔn)確地描出小球通過(guò)的位置，并在坐標(biāo)紙上記下該點(diǎn)．③用同樣的方法確定軌跡上其他各點(diǎn)的位置．(4)描點(diǎn)得軌跡：取下坐標(biāo)紙，將坐標(biāo)紙上記下的一系列點(diǎn)用平滑曲線連起來(lái)，即得到小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡．方法二：噴水法如圖所示，倒置的飲料瓶?jī)?nèi)裝有水，瓶塞內(nèi)插著兩根兩端開(kāi)口的細(xì)管，其中一根彎成水平，且加上一個(gè)很細(xì)的噴嘴．水從噴嘴中射出，在空中形成彎曲的細(xì)水柱，它顯示了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡．將它描在背后的紙上，進(jìn)行分析處理．方法三：頻閃照相法數(shù)碼照相機(jī)每秒拍下小球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的十幾幀或幾十幀照片．將照片上不同時(shí)刻的小球的位置連成平滑曲線便得到了小球的運(yùn)動(dòng)軌跡．三、數(shù)據(jù)處理1．判斷平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是否為拋物線：在x軸上作出等距離的幾個(gè)點(diǎn)A1、A2、A3…向下作垂線，垂線與拋體軌跡的交點(diǎn)記為M1、M2、M3…用刻度尺測(cè)量各點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)．(1)代數(shù)計(jì)算法：將某點(diǎn)(如M3點(diǎn))的坐標(biāo)(x，y)代入y＝ax2求出常數(shù)a，再將其他點(diǎn)的坐標(biāo)代入此關(guān)系式看看等式是否成立，若等式對(duì)各點(diǎn)的坐標(biāo)都近似成立，則說(shuō)明所描繪得出的曲線為拋物線．(2)圖象法：建立y-x2坐標(biāo)系，根據(jù)所測(cè)量的各個(gè)點(diǎn)的x坐標(biāo)值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的x2值，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，連接各點(diǎn)看是否在一條直線上，若大致在一條直線上，則說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是拋物線．2．計(jì)算初速度：在小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡上選取分布均勻的六個(gè)點(diǎn)——A、B、C、D、E、F，用刻度尺、三角板測(cè)出它們的坐標(biāo)(x，y)，并記錄在下面的表格中，已知g值，利用公式y(tǒng)＝eq\f(1,2)gt2和x＝v0t，求出小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0，最后算出v0的平均值．ABCDEFx/mmy/mmv0＝xeq\r(\f(g,2y))/(m·s－1)v0的平均值四、誤差分析1．安裝斜槽時(shí)，其末端切線不水平，導(dǎo)致小球離開(kāi)斜槽后不做平拋運(yùn)動(dòng)．2．建立坐標(biāo)系時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)的位置確定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致軌跡上各點(diǎn)的坐標(biāo)不準(zhǔn)確．3．小球每次自由滾下時(shí)起始位置不完全相同，導(dǎo)致軌跡出現(xiàn)誤差．4．確定小球運(yùn)動(dòng)的位置時(shí)不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致誤差．5．量取軌跡上各點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致誤差．五、注意事項(xiàng)1．斜槽安裝：實(shí)驗(yàn)中必須調(diào)整斜槽末端的切線水平，將小球放在斜槽末端水平部分，將其向兩邊各輕輕撥動(dòng)一次，若沒(méi)有明顯的運(yùn)動(dòng)傾向，斜槽末端的切線就水平了．2．方木板固定：方木板必須處于豎直平面內(nèi)，固定時(shí)要用重垂線檢查坐標(biāo)紙豎線是否豎直．3．小球釋放(1)小球每次必須從斜槽上同一位置由靜止?jié)L下．(2)小球開(kāi)始滾下的位置高度要適中，以使小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡由坐標(biāo)紙的左上角一直到達(dá)右下角為宜．4．坐標(biāo)原點(diǎn)：坐標(biāo)原點(diǎn)不是槽口的端點(diǎn)，應(yīng)是小球出槽口時(shí)球心在木板上的投影點(diǎn)．5．初速度的計(jì)算：在軌跡上選取離坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)較遠(yuǎn)的一些點(diǎn)來(lái)計(jì)算初速度.【例1】(1)（多選）在做“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了木板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘之外，下列器材中還需要的有________．A．游標(biāo)卡尺B．秒表C．坐標(biāo)紙D．天平E．彈簧測(cè)力計(jì)F．重垂線(2)(多選)實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是________．A．應(yīng)使小球每次從斜槽上相同的位置自由滑下B．斜槽軌道必須光滑C．要使描出的軌跡更好地反映真實(shí)運(yùn)動(dòng)，記錄的點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)多一些D．斜槽軌道末端可以不水平(3)(多選)引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大的原因可能是____________．A．安裝斜槽時(shí)，斜槽末端切線方向不水平B．確定Oy軸時(shí)，沒(méi)有用重垂線C．斜槽不是絕對(duì)光滑的，有一定摩擦D．空氣阻力對(duì)小球運(yùn)動(dòng)有較大影響[解析](1)實(shí)驗(yàn)中需要在坐標(biāo)紙上記錄小球的位置，描繪小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要利用重垂線確定坐標(biāo)軸的y軸．故C、F是需要的．(2)使小球從斜槽上同一位置滾下，才能保證每次的軌跡相同，A正確．斜槽沒(méi)必要必須光滑，只要能使小球飛出的初速度相同即可，B錯(cuò)誤．實(shí)驗(yàn)中記錄的點(diǎn)越多，軌跡越精確，C正確．斜槽末端必須水平，才能保證小球離開(kāi)斜槽后做平拋運(yùn)動(dòng)，D錯(cuò)誤．(3)小球從斜槽末端飛出時(shí)，斜槽切線不水平，y軸方向不沿豎直方向，空氣阻力對(duì)小球運(yùn)動(dòng)有較大影響，都會(huì)影響小球的運(yùn)動(dòng)軌跡或計(jì)數(shù)點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而引起較大的實(shí)驗(yàn)誤差，而斜槽不絕對(duì)光滑只會(huì)影響小球平拋的初速度大小，不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差大小，故A、B、D正確．[答案](1)C、F(2)AC(3)ABD【例2】在“研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中：(1)為使小球水平拋出，必須調(diào)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(diǎn)的位置必須及時(shí)記錄在白紙上，然后從這一點(diǎn)畫(huà)水平線和豎直線作為x軸和y軸，豎直線是用__________來(lái)確定的．(3)某同學(xué)建立的直角坐標(biāo)系如圖所示，如果他在安裝實(shí)驗(yàn)裝置和其余操作時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤，只有一處失誤，即是________________________________________________________________________.(4)該同學(xué)在軌跡上任取一點(diǎn)M，測(cè)得坐標(biāo)為(x，y)，則初速度的測(cè)量值為_(kāi)_______，測(cè)量值比真實(shí)值要________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)．[解析](1)水平時(shí)小球處處平衡，放在槽口能靜止不動(dòng)．(2)用重垂線來(lái)確定豎直線最準(zhǔn)確．(3)描繪小球的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)應(yīng)是描繪球心的位置，因此坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)在平拋起點(diǎn)的球心位置，即坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)該是小球在槽口時(shí)球心在白紙上的水平投影點(diǎn)．(4)根據(jù)x＝v0t，y＝eq\f(1,2)gt2，兩式聯(lián)立得：v0＝xeq\r(\f(g,2y))，因?yàn)樽鴺?biāo)原點(diǎn)靠下，造成y值偏小，從而v0偏大．[答案](1)將小球放置在斜槽末端水平軌道上，小球能保持靜止(2)重垂線(3)坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)該是小球在槽口時(shí)球心在白紙上的水平投影點(diǎn)(4)v0＝xeq\r(\f(g,2y))偏大1．(多選)在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，可以選用如圖所示的各種裝置圖，則以下操作合理的是()甲乙丙A．選用圖甲裝置研究平拋物體的豎直分運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該用眼睛看A、B兩球是否同時(shí)落地B．選用圖乙裝置并要獲得穩(wěn)定的細(xì)水柱顯示出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，豎直管上端A一定要低于水面C．選用圖丙裝置并要獲得鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，每次不一定從斜槽上同一位置由靜止釋放鋼球D．除上述裝置外，還可以用數(shù)碼照相機(jī)拍攝鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)每秒15幀的錄像以獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡BD[小球下落的速度很快，運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，用眼睛很難準(zhǔn)確判斷出小球落地的先后順序，應(yīng)聽(tīng)聲音，選項(xiàng)A不合理；豎直管的上端A應(yīng)低于水面，這是因?yàn)樨Q直管與空氣相通，A處的壓強(qiáng)始終等于大氣壓，不受瓶?jī)?nèi)水面高低的影響，因此可以得到穩(wěn)定的細(xì)水柱，選項(xiàng)B正確；只有每次從同一高度釋放鋼球，鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度才相同，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；獲得每秒15幀的錄像就等同于做平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)描方格圖的方法，同樣可以探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，選項(xiàng)D正確．]2.在“探究平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，可以描繪出小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要步驟如下：A．讓小球多次從________位置滾下，記下小球碰到鉛筆筆尖的一系列位置．B．按圖安裝好器材，注意__________________，記下平拋初位置O點(diǎn)和過(guò)O點(diǎn)的豎直線．C．取下白紙，以O(shè)為原點(diǎn)，以豎直線為y軸建立坐標(biāo)系，用平滑曲線畫(huà)平拋運(yùn)動(dòng)物體的軌跡．完成上述步驟，正確的實(shí)驗(yàn)順序是_____________________．[解析]安裝器材時(shí)，應(yīng)使斜槽末端水平，以保證小球做平拋運(yùn)動(dòng)．實(shí)驗(yàn)中，每次小球應(yīng)從同一位置下落，以保證每次的運(yùn)動(dòng)軌跡都相同．[答案]同一斜槽末端水平BAC3．兩個(gè)同學(xué)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了“研究平拋運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)：甲乙(1)甲同學(xué)采用如圖甲所示的裝置．用小錘擊打彈性金屬片，使A球沿水平方向彈出，同時(shí)B球被松開(kāi)，自由下落，觀察到兩球同時(shí)落地，改變小錘擊打的力度，即改變A球被彈出時(shí)的速度，兩球仍然同時(shí)落地，這說(shuō)明______________________________________________________________________________________________________________________________________________________.(2)乙同學(xué)采用如圖乙所示的裝置．兩個(gè)相同的弧形軌道M、N，分別用于發(fā)射小鐵球P、Q，其中N的末端可看作與光滑的水平板相切，兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D；調(diào)節(jié)電磁鐵C、D的高度使AC＝BD，從而保證小鐵球P、Q在軌道出口處的水平初速度v0相等，現(xiàn)將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，然后切斷電源，使兩小球同時(shí)以相同的初速度v0分別從軌道M、N的末端射出．實(shí)驗(yàn)可觀察到的現(xiàn)象應(yīng)是________________．僅僅改變弧形軌道M的高度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，仍能觀察到相同的現(xiàn)象，這說(shuō)明_____________________________________________________________________________________________________________.[解析](1)通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明兩球具有等時(shí)性，由此說(shuō)明做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)．(2)兩球在水平軌道上相遇，水平方向運(yùn)動(dòng)情況相同，說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)．[答案](1)做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)(2)P球擊中Q球做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)4．如圖甲是研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖乙是實(shí)驗(yàn)后在白紙上作的圖．甲乙(1)在甲圖上標(biāo)出O點(diǎn)及Ox、Oy軸，并說(shuō)明這兩條坐標(biāo)軸是如何作出的．答：____________________________________________________________________________________________________.(2)固定斜槽軌道時(shí)應(yīng)注意使____________________________________________________________________________________.(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需經(jīng)過(guò)多次釋放小球才能描繪出小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意______________________________________．(4)計(jì)算小球平拋初速度的公式v0＝________，根據(jù)圖乙給出的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出v0＝________m/s.[解析](1)如圖所示，在斜槽末端小球球心在白紙上的投影為O點(diǎn)，從O點(diǎn)開(kāi)始作平行重垂線向下的直線為Oy軸，再垂直于Oy作Ox軸．(2)為了保證小球離開(kāi)斜槽時(shí)的速度沿水平方向，應(yīng)調(diào)整斜槽使底端切線沿水平方向．(3)為了保證小球每次做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡一致，要求它的初速度相同，故每次都讓小球從斜槽的同一高度處無(wú)初速度滾下．(4)由于x＝v0t，y＝eq\f(1,2)gt2，故初速度v0＝xeq\r(\f(g,2y))，根據(jù)圖乙給出的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出v0＝1.6m/s.[答案](1)圖見(jiàn)解析利用重垂線作Oy軸，再垂直于Oy作Ox軸(2)底端切線沿水平方向(3)每次都從同一高度處無(wú)初速度滾下(4)xeq\r(\f(g,2y))1.65．試根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)“測(cè)量彈射器彈丸出射初速度”的實(shí)驗(yàn)方案，提供的實(shí)驗(yàn)器材為彈射器(含彈丸，如圖所示)、鐵架臺(tái)(帶有夾具)、米尺．(1)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)示意圖；(2)在安裝彈射器時(shí)應(yīng)注意__________________；(3)實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的量(并在示意圖中用字母標(biāo)出)為_(kāi)_______；(4)由于彈射器每次射出的彈丸初速度不可能完全相等，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的方法是____________________________________________________________________________________________；(5)計(jì)算公式為_(kāi)______________________________________．[解析]根據(jù)研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)原理及平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可以使彈丸做平拋運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量下落高度求出時(shí)