高中物理 第5章 第3节 实验研究平抛运动期末课时同步复习课件 新人教版必修2.ppt

第三节实验 研究平抛运动 1945年7月16日的早上 世界上第一枚原子弹在美国新墨西哥州的沙漠里爆炸 40s后 爆炸冲击波传到基地 这时 费米把预先从笔记本上撕下来的碎纸片举过头顶撒下 碎纸片飘落到他身后2m处 经过计算 费米宣称那枚原子弹的威力相当于1万吨tnt炸药 1 能描出平抛运动的轨迹 2 会判断平抛运动轨迹是抛物线 3 会计算平抛物体的初速度 课前预习 一 判断平抛运动的轨迹是不是抛物线1 平抛运动的轨迹是一条 由于竖直方向只受 作用 它的纵坐标的变化规律与 的规律一样 2 要探究做平抛运动的物体在水平方向的运动特点 需要测量几段相等的时间内物体在水平方向上的 看这些 是否相等 因此要在实验中设法得到平抛运动的轨迹 在平抛运动轨迹上找到每隔相等时间物体能到达的 测量两相邻位置间的 分析这些位移的特点 曲线 重力 自由落体 位移 位移 位置 位移 二 计算平抛物体的初速度根据平抛物体的 可以计算物体的初速度 平抛运动可看做水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成 即x y 对运动的轨迹 建立坐标系 测量出x y 再利用公式v0 求出平抛物体的初速度 运动轨迹 v0t gt2 怎样描绘平抛运动的轨迹 1 描迹法描绘平抛运动的轨迹 1 实验设计 利用实验室的斜面小槽等器材装配图所示的装置 钢球从斜槽上滚下 通过水平槽飞出后做平抛运动 每次都使钢球从斜槽上同一位置由静止释放 钢球每次在空中做平抛运动的轨迹就相同 设法用铅笔描出小球经过的位置 通过多次实验 在竖直白纸上记录钢球所经过的多个位置 用平滑的曲线将各点连起来 从而得到钢球做平抛运动的轨迹 这样我们就可以利用运动轨迹研究平抛运动的性质确定平抛运动中的各个物理量 2 实验器材 末端水平的斜槽 木板 坐标纸 图钉 小球 刻度尺 重垂线 铅笔等 3 实验步骤 安装调整斜槽 将固定有斜槽的木板放在实验桌上 用平衡法检查木板是否水平 即将小球放在斜槽末端直轨道上 小球若能静止在直轨道上的任意位置 则表明斜槽末端已调水平 安装调整竖直平板 用图钉把坐标纸钉在竖直木板上 并用悬挂在槽口的重垂线检查坐标纸上的竖直线是否竖直 然后固定竖直木板 使在重复实验的过程中 木板与斜槽的相对位置保持不变 确定坐标原点及坐标轴 选定斜槽末端处小球球心所在的点为坐标原点o 从坐标原点o画出竖直向下的y轴和水平向右的x轴 描绘运动轨迹 让小球在斜槽的某一固定位置由静止滚下 并从o点开始做平抛运动 先用眼睛粗略地确定小球在某一x值处 如x 1cm 的y值 然后使小球从开始时的位置滚下 在粗略确定的位置附近 用铅笔较准确地确定小球通过的位置 小球刚好经过铅笔尖处 并在坐标纸上记下这一点 以后依次改变x的值 用同样的方法确定其他各点的位置 取下坐标纸用平滑的曲线把这些点连接起来 就得到小球做平抛运动的轨迹 4 实验注意事项 固定斜槽时 要保证斜槽末端的切线水平 保证小球的初速度水平 固定木板时 木板必须处在竖直平面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面平行 保证小球在运动中靠近木板但不接触 小球每次从槽中的同一位置由静止释放 要在斜轨上适当高度释放小球 使它以适当的水平初速度抛出 其轨迹由木板左上角到达右下角 这样可以减小测量误差 计算小球的初速度时 应选距抛出点稍远一些的点为宜 以便于测量和计算 2 用细水柱显示平抛运动的轨迹 如图甲所示 倒置的饮料瓶内装着水 瓶塞内插着两根两端开口的细管 其中一根弯成水平 且水平端加接一根更细的硬管作为喷嘴 3 用频闪照相拍摄平抛运动的轨迹 现代影像技术的发展为我们研究平抛运动的轨迹提供了方便 若能拍摄到物体做平抛运动的几张照片如图乙所示 就能描绘出平抛运动的轨迹了 用数码相机的摄像功能或用数码摄像机都能实现 有条件的学校也可用频闪照相的方法来实现 名师提示 以上三种方法可命为 描点法 描影法 摄影法 共同点是记录一些特殊点 再用平滑曲线描出轨迹 水从喷嘴中射出 在空中形成弯曲的细水柱 它显示了平抛运动的轨迹 可在装置一侧竖直放置一玻璃板 将平抛运动的轨迹描在玻璃板上 或用相机拍摄下来 尝试应用 1 在做 探究平抛运动 的实验时 将小球多次从同一高度释放沿同一轨道运动 通过描点法画小球平抛运动的轨迹 为了能较准确地描绘运动轨迹 下面列出了一些操作要求 将你认为正确的选项前面的字母填在横线上 a 调节斜槽的末端保持水平b 每次释放小球的位置必须不同c 每次必须由静止释放小球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 解析 物理实验的具体操作方式并不是一成不变的 根据实验原理和要达到的目的 再结合现有的实验条件 灵活地 创造性地设计实验方案 操作要求和操作规范是学习者应具备的素质 实验操作的要求是根据实验原理和要达到的精度而设置的 要确定每一个操作是否正确 必须从实验原理入手思考 例如 研究平抛物体的运动 实验操作必须保证小球做平抛运动 要描绘平抛物体的运动轨迹 必须是同一个运动过程物体经过的位置的连线 因此每次释放小球必须在同一高度 以保证每一次平抛运动的轨迹重合 答案 ace 如何判断平抛运动的轨迹是不是抛物线 方法一 代数运算法 1 以抛出点o为坐标原点 重垂线方向为y轴 水平方向为x轴 建立平面直角坐标系 2 如图所示 在x轴上作出等距离的几个点a1 a2 a3 把线段oa1的长度记为 l 那么oa2 2l oa3 3l 由a1 a2 a3 向下作垂线 与轨迹的交点记为m1 m2 m3 3 设轨迹就是一条抛物线 则m1 m2 m3 各点的y坐标与x坐标应该具有的形式为y ax2 a是常量 4 用刻度尺测量某点的x y两个坐标 代入y ax2中 求出常量a 5 测量其他几个点的x y坐标 代入上式 看是否满足 如果在误差允许的范围内满足 就说明该曲线为抛物线 方法二 图象法建立y x2坐标系 根据所测量的各个点的x y坐标值分别计算出对应的y值和x2的值 在y x2坐标系中描点 连接各描点看是否在一条直线上 并求出该直线的斜率即为a值 名师提示 其实在建立坐标系后 完全可以在轨迹上任取几个点m1 m2 m3 找出它们对应的x坐标和y坐标 看是否满足y ax2的形式 尝试应用 2 对于平抛运动的轨迹 其验证方法有多种 请根据自己所学数学和物理知识 找出一个较简单的验证方法 怎样计算平抛运动的初速度 1 已知轨迹和初抛点以初抛点为坐标原点 水平方向为x轴 竖直向下为y轴 建立平面直角坐标系 1 在轨迹曲线上任取几点 如a b c d 2 用刻度尺和三角板分别测出它们的坐标x和y 3 据平抛运动水平方向是匀速直线运动 x v0t 及竖直方向是自由落体运动 y gt2 分别计算小球的初速度v0 最后计算小球的初速度v0的平均值 2 已知轨迹和竖直轴 或水平轴 不知抛出点 1 在轨迹曲线上取三点a b c 使xab xbc x 如右上图所示 2 用刻度尺分别测出ya yb yc 则有yab yb ya ybc yc yb 3 根据平抛运动在水平方向上为匀速直线运动 则物体从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 ybc yab gt2 且v0t x 由以上两式得 v0 x 尝试应用 3 在研究平抛运动的实验中 用一张印有小方格的纸记录轨迹 小方格的边长l 1 25cm 若小球在平抛运动途中的几个位置如图中a b c d所示 则小球平抛的初速度的计算式为v0 用l g表示 其值是 解析 平抛运动的竖直分运动是自由落体运动 水平分运动是匀速直线运动 由水平方向ab bc cd的距离相等知相邻两点的时间间隔相等 设为t 竖直方向相邻两点间位移之差相等 y l 则 y gt2 得 l gt2时间t内 水平位移为x 2l知 对实验装置和实验原理的考查 在探究平抛运动的规律时 可以选用如下图所示的各种装置图 则以下操作合理的是 a 选用装置图甲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 选用装置图乙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 选用装置图丙并要获得钢球做平抛运动的轨迹 每次不一定要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解析 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 获得了每秒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 答案 bd名师归纳 研究平抛运动的实验原理是 把平抛运动看做是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动 高考中常常通过变通实验装置 变通操作方法等达到验证实验的目的 考查同学们利用课本知识解决实际问题的能力 变式应用 1 在做 研究平抛物体的运动 实验时 下列说法正确的是 a 安装有斜槽的木板时 一定要注意检查斜槽末端切线是否水平b 安装有斜槽的木板时 只要注意小球不与木板发生摩擦即可c 每次实验都要把小球从同一位置由静止释放d 实验的目的是描出小球的运动轨迹 分析平抛运动水平分运动的规律 ad 由轨迹求解初速度 右图甲所示为平抛运动实验中得到的物体运动轨迹的一部分 a b c三个点位于轨迹上 所用坐标纸 每小格对应的边长是5cm 试由轨迹求初速度v0 g取10m s2 解析 解法一 从a b和从b c水平位移值相等 两段时间相等 令其为t 又 a b b c竖直位移之比是3 5 可推知抛出点为上图乙中的o点 设每个方格的边长为l 对o c的运动有 答案 1 5m s 名师归纳 解此类型题时最容易犯的错误就是将图甲中的a点当做是坐标原点 即抛出点 从而导致全局错误 认清这个误区 解此类题起手就要着重找抛出点 利用从a b 从b c时间相等 竖直位移之比是3 5 顺理成章找到o为抛出点 问题便迫刃而解 但如果没有本题竖直位移35之类的巧合 寻找抛出点便有困难 因此就要另辟蹊径 解法二 就是充分利用竖直分运动为匀变速运动的特点 从公式 s at2出发解出本题 两者相比较 解法一 更接近从学生实验累积的知识基础 但 解法二 更具有普遍性 应重点掌握 变式应用 2 某同学在做研究平抛运动的实验时 忘记记下斜槽末端位置 图中的a点为小球运动一段时间后的位置 他便以a点作为原点建立直角坐标系 得到如图所示的图象 试根据图象求出小球做平抛运动的初速度 g取10m s2 解析 从题图所示的图像中可以看出小球在a b c d位置间的水平距离都是0 20m 由于小球在水平方向做匀速直线运动 于是可知小球由a运动到b 以及由b运动到c 由c运动到d所用的时间是相等的 设该时间为t 又由于小球在竖直方向做自由落体运动 加速度等于重力加速度g 根据匀变速直线运动的特点 y gt2 得 答案 2 0m s 基础练 1 关于 研究平抛物体的运动 实验中 下列说法正确的是 a 实验目的之一是测量当地重力加速度b 小球运动时 应与木板上的白纸相接触c 把小球位置记录在纸上后 应用平滑曲线连接d 在纸上记录小球的第一个位置 应尽量靠近坐标原点 c 2 安装实验装置的过程中 斜槽末端的切线必须是水平的 这样做的目的是 a 保证小球飞出时 速度既不太大 也不太小b 保证小球飞出时 初速度水平c 保证小球在空中运动的时间每次都相等d 保证小球运动的轨迹是一条抛物线 b 3 数码照相机大多具有摄像功能 每秒钟大约能拍摄15帧 一同学用它拍摄小球从水平面上飞出后做平抛运动的几张连续照片 下列处理方法中正确的是 a 只要测出相邻两照片上小球的距离 就能判断平抛运动的特点b 只要测出相邻两照片上小球的水平距离 就能判断平抛运动在水平方向上的运动特点c 只要测出相邻两照片上小球的竖直距离 就能判断平抛运动在水平方向上的运动特点d 只要测出相邻两照片上小球的竖直距离 就能判断平抛运动在竖直方向上的运动特点 bd 4 在研究平抛运动的实验中 某同学只记录了小球运动途中的a b c三点的位置 取a点为坐标原点 则各点的位置坐标如图所示 g取10m s2 下列说法正确的是 a 小球抛出点的位置坐标是 0 0 b 小球抛出点的位置坐标是 10 5 c 小球平抛的初速度为2m sd 小球平抛的初速度为1m s bd 5 在研究平抛物体运动的实验中 用一张印有小方格的纸记录轨道 小方格的边长为l 1 25cm 若小球在平抛运动过程中的几个位置如图中的a b c d所示 则小球平抛的初速度v0的数值为 g取9 8m s2 在下图中找出小球的抛出点 画出小球的运动轨迹和以抛出点为坐标原点的x y坐标轴 抛出点o在a点左侧 处 a点上方 处 用l表示 6 某同学在 研究平抛运动 的实验中 在已经判定平抛运动在竖直方向为自由落体运动后 利用图甲所示实验装置研究水平方向的运动 他先调整斜槽轨道使槽口末端