5-3-實驗：探究平拋運動的特點(人教版2019必修第二冊)(解析版)

第3節(jié)實驗：探究平拋運動的特點【知識梳理】拋體運動和平拋運動1.拋體運動：以一定的速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力的作用，這時的運動叫作拋體運動。2.平拋運動：初速度沿水平方向的拋體運動。二、實驗原理1.實驗思路：根據(jù)運動的合成與分解原理，平拋運動可看作沿豎直方向和水平方向的兩個分運動的合運動。2.實驗方案方案一：用頻閃照相等方法記錄做平拋運動的物體經(jīng)過相等時間間隔所到達的位置，獲得水平方向和豎直方向的位移隨時間變化的具體數(shù)據(jù)，便可以獨立分析水平方向和豎直方向的運動規(guī)律。方案二：在水平和豎直兩個方向中，先研究其中一個方向的運動規(guī)律，再設(shè)法分析另外一個方向的運動規(guī)律。三、實驗器材實驗方案（二）的實驗器材：1.探究平拋運動豎直分運動特點的實驗器材：小錘一個、兩個相同的小鐵球、平拋豎落儀一個。2.探究平拋運動水平分運動特點的實驗器材：斜槽、鋼球、白紙、復(fù)寫紙、鉛垂線、鉛筆、平拋鐵架臺(有背板及水平放置的可上下調(diào)節(jié)的擋板)。四、實驗步驟和過程步驟一：如圖甲，探究平拋運動豎直方向的運動特點。用小錘打擊彈性金屬片后，A球沿水平方向拋出，同時B球被松開，自由下落。A、B兩球同時開始運動。觀察兩球哪個先落地。改變小球距地面的高度和打擊的力度，重復(fù)這個實驗。實驗時，也可以用耳朵“聽”來判斷兩球落地時刻的先后。注意事項：1.用小錘水平擊打在彈性金屬片中央位置，確保A球能夠沿水平方向飛出；2.調(diào)節(jié)好平拋運動演示器，確保用小錘擊打彈性金屬片的同時B球被松開，自由下落；3.A、B兩小球選擇體積小、質(zhì)量大，大小、材料、質(zhì)量完全相同的小球；4.確保A、B兩球運動前高度相同，且落到同一水平面上。步驟二：如圖乙，探究平拋運動水平方向的運動特點。在圖乙所示的裝置中，斜槽M末端水平。鋼球在斜槽中從某一高度滾下，從末端飛出后做平拋運動。在裝置中有一個水平放置的可上下調(diào)節(jié)的傾斜擋板N，鋼球飛出后，落到擋板上。實驗前，先將一張白紙和復(fù)寫紙固定在裝置的背板上。鋼球落到傾斜的擋板上后，就會擠壓復(fù)寫紙，在白紙上留下印跡。上下調(diào)節(jié)擋板N，通過多次實驗，在白紙上記錄鋼球所經(jīng)過的多個位置。最后，用平滑曲線把這些印跡連接起來，就得到鋼球做平拋運動的軌跡。根據(jù)步驟一得出的平拋運動在豎直方向分運動的規(guī)律，設(shè)法確定“相等的進間間隔”。再看相等的時間內(nèi)水平分運動的位移，進而確定水平分運動的規(guī)律。注意事項：1.調(diào)節(jié)鐵架臺，通過觀察鉛垂線，使鐵架臺底座水平，從而使擋板N水平，背板在豎直面內(nèi)；2.斜槽的末端必須調(diào)節(jié)水平；3.鋼球必須從同一位置滾下；4.鋼球應(yīng)選比較小的，使記錄的位置盡量準確。五、數(shù)據(jù)處理1.觀察發(fā)現(xiàn)，A、B兩球同時落地。改變小球距地面的高度和打擊的力度，重復(fù)實驗時，兩球在空中的運動時間和A球的水平初速度大小發(fā)生改變，但A、B兩球總是同時落地。說明A球在豎直方向的運動與B球完全相同，平拋運動在豎直方向的運動為自由落體運動。2.以小球出槽口時球心在白紙上的投影點為坐標原點，以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸。如圖所示：3.豎直分運動為自由落體運動，以起點開始，相鄰相等時間間隔的位移之比為1∶3∶5∶9∶…，在y軸上從O點起，據(jù)此量出各段位移，即可確定“相等的時間間隔”。4.根據(jù)運動的合成與分解，測出相等時間間隔內(nèi)的水平位移，從而確定平拋運動在水平方向上的分運動是勻速直線運動。5.由實驗探究可知，平拋運動是水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合運動。六、誤差分析1．A、B兩球由于不完全相同，因而在空中所受阻力不同，產(chǎn)生誤差。2．探究平拋運動豎直方向的運動特點時，用小錘擊打彈性金屬片時，A球不能完全水平飛出，B球不能立即被松開、同時下落，產(chǎn)生誤差。3．安裝斜槽時，其末端切線不水平，導(dǎo)致小球離開斜槽后不做平拋運動，產(chǎn)生誤差。4．建立坐標系時，坐標原點的位置確定不準確，導(dǎo)致軌跡上各點的坐標不準確，產(chǎn)生誤差。5．小球每次自由滾下時起始位置不完全相同，導(dǎo)致軌跡出現(xiàn)誤差。6．確定小球運動的位置時不準確，會導(dǎo)致誤差。7．量取軌跡上各點坐標時不準確，會導(dǎo)致誤差。【方法突破】【例】如圖甲所示裝置研究平拋運動。裝置中，豎直硬板上依次固定著白紙和復(fù)寫紙，MN是一個水平放置、稍微向紙面內(nèi)傾斜且可上下調(diào)節(jié)的擋板。小鋼球從斜槽中某高度由靜止釋放，從斜槽末端Q飛出的鋼球落到擋板上會擠壓復(fù)寫紙，在白紙上留下印記；上下調(diào)節(jié)擋板，通過多次實驗，白紙上會留下鋼球經(jīng)過的多個位置，最終用平滑曲線將其連接，得到鋼球做平拋運動的軌跡。下列說法正確的是（）A．安裝斜槽時，應(yīng)保證斜槽末端Q的切線水平B．鋼球與斜槽間的摩擦是造成實驗誤差的主要原因C．鋼球每次都應(yīng)從斜槽中同一高度由靜止釋放D．移動擋板MN時，其高度必須等距變化【答案】AC【詳解】A．使鋼球做平拋運動，應(yīng)保證斜槽末端Q的切線水平，A正確；BC．鋼球與斜槽間的摩擦不影響對鋼球平拋運動的研究，只要保證每次釋放鋼球的位置相同即可，B錯誤，C正確；D．移動擋板MN時，是否等距變化不影響對平拋運動規(guī)律的研究，D錯誤。故選AC?！踞槍τ?xùn)練】(1)為了研究平拋物體的運動，可做下面的實驗：如圖甲所示，用小錘擊打彈性金屬片，B球就水平飛出，同時A球被松開，做自由落體運動，兩球同時落到地面；在如圖乙所示的實驗中，將兩個完全相同的斜滑道固定在同一豎直面內(nèi)，最下端水平。把兩個質(zhì)量相等的小鋼球從斜面的同一高度由靜止同時釋放，滑道2與光滑水平木板平滑連接，則將觀察到的現(xiàn)象是球1落到水平木板上時恰好擊中球2，這兩個實驗說明________。A．甲實驗只能說明平拋運動在豎直方向上做自由落體運動B．乙實驗只能說明平拋運動在水平方向上做勻速直線運動C．不能說明上述規(guī)律中的任何一條D．甲、乙兩個實驗均能同時說明平拋運動在水平、豎直方向上的運動性質(zhì)(2)關(guān)于“研究物體平拋運動”的實驗，下列說法正確的是________。A．小球與斜槽之間有摩擦?xí)龃髮嶒炚`差B．安裝斜槽時其末端切線應(yīng)水平C．小球必須每次從斜槽上同一位置由靜止開始釋放D．小球在斜槽上釋放的位置離斜槽末端的高度盡可能低一些E．將木板校準到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直平面平行【答案】

AB

BCE【詳解】(1)[1]A．用小錘擊打彈性金屬片，B球就水平飛出，同時A球被松開，做自由落體運動，兩球同時落到地面，知B球豎直方向上的運動規(guī)律與A球相同，即平拋運動在豎直方向上做自由落體運動，故A正確；BCD．把兩個質(zhì)量相等的小鋼球從斜面的同一高度由靜止同時釋放，滑道2與光滑水平木板平滑連接，則將觀察到的現(xiàn)象是球1落到水平木板上時恰好擊中球2，知球1在水平方向上的運動規(guī)律與球2相同，即平拋運動在水平方向上做勻速直線運動，故B正確，CD錯誤。故選AB。(2)[2]A．小球與斜槽之間有摩擦，不會影響小球做平拋運動，故A錯誤；B．研究平拋運動的實驗關(guān)鍵的地方是要保證小球能夠水平飛出，只有水平飛出時小球才做平拋運動，則安裝實驗裝置時，斜槽末端切線必須水平，故B正確；C．由于要記錄小球的運動軌跡，必須重復(fù)多次，才能畫出多個點，因此為了保證每次平拋的軌跡相同，要求小球每次從斜槽上同一位置由靜止開始釋放，故C正確；D．小球在斜槽上釋放的位置離斜槽末端的高度不能太低，故D錯誤；E．根據(jù)平拋運動的物體可知，小球運動軌跡在豎直平面內(nèi)，因此在實驗前，應(yīng)調(diào)整木板在豎直平面內(nèi)，即要求木板平面與小球下落的豎直平面平行，故E正確。故選BCE?！眷柟烫嵘?．(1)在做“研究平拋物體的運動”實驗時，除了木板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘之外，下列器材中還需要的是__________。A．游標卡尺

B．秒表C．彈簧測力計

D．天平E.坐標紙

F.重垂線(2)實驗中，下列說法正確的是__________。A．應(yīng)使小球每次從斜槽上相同的位置自由滑下B．要使描出的軌跡更好地反映小球的真實運動，記錄的點應(yīng)適當多一些C．斜槽軌道末端可以不水平D．斜槽軌道必須光滑E.為了比較準確地描出小球運動的軌跡，應(yīng)該用一條曲線把所有的點連接起來(3)甲、乙、丙、丁四位同學(xué)在做這個實驗時，建立的坐標系分別如圖A、B、C、D所示，這四位同學(xué)中坐標原點選擇正確的是____________（填圖序號）。A．B．C．D．【答案】

EF

AB

C【詳解】(1)[1]在做“研究平拋物體的運動”實驗時，除了木板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘之外，還需要重垂線，確保木板豎直放置；另外還需坐標紙，用于記錄小球的位置，故E、F正確，A、B、C、D錯誤。(2)[2]讓小球總是從同一位置自由釋放，這樣才能找到同一運動軌跡上的幾個點，然后將這幾個點平滑連接起來，誤差較大的點應(yīng)舍去，而不是把所有的點連接起來，故A正確，E錯誤；要使描出的軌跡更好地反映小球的真實運動，記錄的點應(yīng)適當多一些，故B正確；為了能畫出小球平拋運動的軌跡，要保證小球做的是平拋運動，所以斜槽軌道不一定要光滑，但末端必須是水平的，故C、D錯誤。(3)[3]建立坐標系時，應(yīng)將小球在斜槽末端時，球心在豎直面上的投影作為坐標原點，故C正確，A、B、D錯誤。2．在做“探究平拋運動的特點”的實驗時，通過描點法畫出小球平拋運動的軌跡，并求出平拋運動初速度，實驗裝置如圖所示。（1）實驗時將固定有斜槽的木板放在實驗桌上，實驗前要檢查斜槽末端是否水平，請簡述你的檢查方法：________；（2）關(guān)于這個實驗，以下說法正確的是________；A．小球釋放的初始位置越高越好B．實驗前要用重垂線檢查坐標紙上的豎線是否豎直C．小球在平拋運動時要靠近但不接觸木板（3）在做“探究平拋運動的特點”的實驗時，坐標紙應(yīng)當固定在豎直的木板上，圖中坐標紙的固定情況與斜槽末端的關(guān)系正確的是________?！敬鸢浮?/p>

將小球放在槽的末端，看小球能否靜止

BC##CB

C【詳解】（1）[1]實驗前檢查斜槽末端是否水平的方法是：將小球放在槽的末端，看小球能否靜止；（2）[2]A．小球釋放的初始位置高度要適當，并非越高越好，故A錯誤；B．實驗前要用重垂線檢查坐標紙上的豎線是否豎直，故B正確；C．小球在平拋運動時要靠近但不接觸木板，故C正確。故選BC。（3）[3]斜槽末端是水平的，小球做平拋運動，要分解為水平和豎直方向的分運動，故方格紙應(yīng)該水平、豎直，坐標原點應(yīng)該與小球在斜槽末端靜止時在木板上的投影重合。故選C。3．“頻閃攝影”是研究物體運動的一種常見而有效的方法，“頻閃攝影”的重要特點在于照相機總是每隔一定的時間就對運動物體拍攝一次，因此拍攝到物體的圖像是不連續(xù)的，但是我們能夠從這些不連續(xù)的圖像中發(fā)現(xiàn)揭示物體運動的規(guī)律。一同學(xué)受此啟發(fā)，利用實驗室設(shè)備配合頻閃攝像機設(shè)計了如下實驗，來探究“平拋運動的規(guī)律”。實驗步驟如下：（I）如圖甲所示安裝好實驗裝置，為便于觀察，該同學(xué)將兩個顏色不同，其他完全相同的實心金屬小球放置在實驗裝置上，調(diào)整A、B球的高度，使兩個小球重心在同一高度上。（II）調(diào)整頻閃攝像機位置，將頻閃攝像機正對實驗裝置甲所在的位置，并打開攝像功能。（III）用小木槌敲擊彈片，讓A、B兩個小球同時開始運動，直至落在實驗臺上。（IV）通過頻閃攝像機連接打印機進行打印，得到如圖乙所示的圖像，圖像與實物比例為1：5。（V）在圖乙中沿水平方向和豎直方向建立坐標系（坐標系圖中未畫出），選擇A球的三個影像C、D、E進行測量，得到XCD=XDE=4.00cm，HCD=9.00cm，HDE=11.00cm。（1）下列說法正確的是___________A．該實驗?zāi)苷f明平拋運動在豎直方向的分運動為自由落體運動B．該實驗不能說明小球在水平方向做勻速直線運動C．提升兩球所處平臺的高度，對探究平拋運動的規(guī)律沒有影響D．該實驗中小球可以用任意材質(zhì)的小球代替（2）通過測量數(shù)據(jù)可知，該頻閃攝像機的拍照時間間隔為___________s，小球A拋出時的初速度為___________m/s。（g取10m/s2）【答案】

AC

0.1

2【詳解】（1）[1]A．該實驗中兩球能同時落地，則說明兩球在豎直方向的運動完全相同，即能說明平拋運動在豎直方向的分運動為自由落體運動，選項A正確；B．該實驗中通過閃頻照片能看出小球A在相同時間內(nèi)的水平位移相同，則也能說明小球在水平方向做勻速直線運動，選項B錯誤；C.提升兩球所處平臺的高度，兩球下落的時間仍相同，則對探究平拋運動的規(guī)律沒有影響，選項C正確；D.該實驗中小球必須用金屬小球，以減小下落過程中的阻力影響，選項D錯誤。故選AC。（2）[2][3]根據(jù)可得小球拋出時的初速度為4．平拋運動的軌跡是曲線，比直線運動復(fù)雜。我們可以按照把復(fù)雜的曲線運動分解為兩個相對簡單的直線運動的思路，分別研究物體在豎直方向和水平方向的運動特點。（1）如圖1所示，用小錘打擊彈性金屬片，A球沿水平方向拋出，同時B球由靜止自由下落，可觀察到兩小球同時落地；改變小球距地面的高度和打擊的力度，多次實驗，都能觀察到兩小球同時落地。根據(jù)實驗，______（選填“能”或“不能”）判斷出A球在豎直方向做自由落體運動；______（選填“能”或“不能”）判斷出A球在水平方向做勻速直線運動。（2）如圖2所示，將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PO滑下后從O點飛出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板一側(cè)較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側(cè)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(fù)，白紙上將留下一系列痕跡點。①為了保證鋼球從O點水平飛出的初速度是一定的，下列實驗條件必須滿足的是______。A．斜槽軌道光滑B．斜槽軌道末段水平C．每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球②一位同學(xué)做實驗時，忘記了標記平拋運動的拋出點O，只記錄了A、B、C三點，于是就取A點為坐標原點，建立了如圖4所示的坐標系。平拋軌跡上的這三點坐標值圖中已標出。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)判斷，A點______（填“是”或“不是”）平拋運動的拋出點。小球平拋的初速度為_____m/s。（取，計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）?！敬鸢浮?/p>

能

不能

BC

不是

1.5【詳解】(1)[1][2]無論在什么高度，兩個小球都同時落地，說明兩個小球在豎直方向運動完全相同，由于B小球做自由落體運動，因此可以判斷出A球在豎直方向做自由落體運動；而在水平方向上沒有任何比較，因此不能判斷出A球在水平方向做何種運動；(2)①[3]為保證小球到達斜槽末端時水平拋出，則必須要使斜槽末端水平；為保證小球到達斜槽末端的速度相同，則小球每次都從斜槽的同一位置從靜止?jié)L下，這樣每次拋出的運動軌跡完全相同，斜槽軌道是否光滑對實驗無影響，BC正確，A錯誤。故選BC。②[4]因A點到B點與B點到C點的水平位移相等，則時間相等；而豎直位移之比為3：5，不是從1開始的連續(xù)奇數(shù)比，可知A點不是平拋的起點；[5]根據(jù)可得則初速度5．在研究平拋運動的實驗中，(1)為減小空氣阻力對小球運動的影響，應(yīng)采用______A．空心小鐵球B．實心小鐵球C．實心小木球D．以上三種小球都可以(2)安裝實驗裝置的過程中，斜槽末端的切線必須是水平的，這樣做的目的是______A．保證小球飛出時，初速度水平B．保持小球飛出時，速度既不太大，也不太小C．保證小球在空中運動的時間每次都相等D．保證小球運動的軌跡是一條拋物線(3)某次實驗中用頻閃照相技術(shù)拍下的兩小球運動的頻閃照片如圖所示，拍攝時，光源的頻閃頻率為10Hz，a球從A點水平拋出的同時，b球自B點開始自由下落，背景的小方格為相同的正方形。重力加速度g取10m/s2，不計阻力。根據(jù)照片顯示的信息，下列說法中正確的是________A．只能斷定a球的運動是水平方向的勻速直線運動B．只能確定a球沿豎直方向的運動是自由落體運動C．不能確定a球沿豎直方向的運動是自由落體運動D．可以確定a球沿水平方向的運動是勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合成(4)根據(jù)照片和已知信息可求出a球的水平速度大小為____m/s；當a球與b球運動了______s時它們之間的距離最小?！敬鸢浮?/p>

B

A

D

1

0.2【詳解】(1)[1]為減小空氣阻力對小球運動的影響，應(yīng)采用實心小鐵球，故選B；(2)[2]安裝實驗裝置的過程中，斜槽末端的切線必須是水平的，這樣做的目的是保證小球飛出時，初速度水平，做平拋運動，故選A；(3)[3]因為相鄰兩照片間的時間間隔相等，水平位移相等，知小球在水平方向上做勻速直線運動，豎直方向上的運動規(guī)律與b球運動規(guī)律相同，知豎直方向上做自由落體運動。故可以斷定a球的運動是水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合成，D正確，A、B、C錯誤；故選D。(4)[4]根據(jù)△y=gT2=10×0.01m=0.1m所以2L=0.1m，所以平拋運動的初速度[5]因為兩球在豎直方向上都做自由落體運動，所以位移之差恒定，當小球a運動到與b在同一豎直線上時，距離最短，則6．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(xué)通過實驗得到的軌跡如圖所示，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。（3）該同學(xué)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(nèi)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(jié)果保留3位有效數(shù)字）【答案】

重垂線

1∶3∶5

1∶1∶1

零

勻加速直線

9.60【詳解】（1）[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）[2]由軌跡可知，豎直距離[3]由于水平距離則所以[4]在連續(xù)相等的時間內(nèi)，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[5]在連續(xù)相等的時間內(nèi)，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）[6]豎直方向有水平方向有則平拋運動的軌跡方程為則斜率解得?7．頻閃照相是研究變速運動常用的實驗手段。某物理小組利用圖甲所示的裝置探究平拋運動的特點。他們分別在該裝置正上方和右側(cè)正前方安裝了頻閃儀A、B并進行了拍攝，頻閃照相的時間間隔為0.3s。得到的頻閃照片如圖乙所示，O為拋出點，P為運動軌跡上某點，b圖中相鄰兩小球的間距為60cm。根據(jù)實驗分析下列問題。（1）圖乙中，頻閃儀A所拍攝的頻閃照片為______，頻閃儀B所拍攝的頻閃照片為______。（填“a”或“b”）；（2）小球自O(shè)點拋出時水平初速度______m/s。【答案】

b

a

2【詳解】[1][2]頻閃儀B記錄的是小球豎直方向的運動情況，而小球在豎直方向做自由落體運動，所以頻閃儀B所拍攝的頻閃照片為a。照片b中頻閃時間間隔內(nèi)小球的位移大小相同，而小球在水平方向上的分運動為勻速直線運動，可知頻閃照片b是頻閃儀A所拍攝的。[3]則根據(jù)照片b可知，小球自O(shè)點拋出時水平初速度8．三個同學(xué)根據(jù)不同的實驗條件，進行了探究平拋運動規(guī)律的實驗：（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，金屬片把A球沿水平方向彈出，同時B球被松開自由下落，觀察到兩球同時落地。改變小錘擊打的力度，即改變A球被彈出時的速度，兩球仍然同時落地，這說明______；（2）乙同學(xué)采用如圖乙所示的裝置，兩個相同的弧形軌道M、N，分別用于發(fā)射