实验：研究物体平抛运动.doc

一、研究平抛物体的运动【重要知识提示】 1实验目的、原理 (1)实验目的： (a)用描迹法描出平抛物体的运动轨迹； (b)求出平抛物体的初速度； (2)实验原理： (a)平抛运动可以看作是由两个分运动合成，一个是在水平方向上的匀速直线运动，其速度等于平抛物体运动的初速度，另一个是在竖直方向上的自由落体运动 (b)在水平分运动中，运用x=vt；在竖直分运动中，运用y=1/2gt2或y=gT2 2实验器材 斜槽(附挡球板和铅锤线)、水准仪、小钢球、木板、竖直固定支架、刻度尺、三角板、白纸、图钉、定点用的有孔卡片、重垂、铅笔等 说明 定点用的有孔卡片的制作要求如图51所示，在方形硬纸上沿中间实线挖出一个孔，孔宽(A)应稍大于钢球直径，孔长(B)一般大于钢球直径 3实验步骤及安装调整 (1)描述平抛物体运动的轨迹： (a)将斜槽放在桌面上，让其末端伸出桌面边缘外借助水准仪调节末端，使槽末端切线水平，随之将其固定，如图52所示 说明 如果没有水准仪，则可将钢球放于槽的末端调节斜槽后，轻轻拨动钢球，若钢球能在任何位置平衡，说明达到要求； (b)用图钉将白纸钉在木板上，让木板左上方靠近槽口处桌面边缘，用支架将木板竖直固定，使小球滚下飞出槽口后的轨迹平面跟板面平行； (c)将小球飞离斜槽末端时的球心位置水平投影到白纸上描点O，并过。沿重垂线用直尺描出竖直方向； (d)选择钢球从槽上滚下的合适初位置Q，在Q点放上挡球板； (e)将小球从斜槽上释放，用中心有孔的卡片靠在纸面上并沿纸面移动，当飞行的小球顺利地穿过卡片上小孔时，在小孔靠近纸面所在处做上记号；重复该步骤，描下至少5个不同位置的对应点； (f)把白纸从木板上取下来，将前面描述的一系列点用平滑的曲线连接起来，即为小球平抛运动的轨迹 (2)求小球平抛的初速度： (a)以。为坐标原点，用三角板在白纸上建立z0夕坐标系； (b)在轨迹线上选取点M，并测出它的坐标值(z，y)，代人公式计算水平初速度； (c)再在曲线上选取不同点，重复步骤2(b)，测量、计算水平初速度，最后求出其平均值，即为小球平抛初速度的测量值 4注意事项 (1)在调整安装时，应保证斜槽末端切线水平，确保钢球飞出后作平抛运动；应使木板(包括白纸)靠近槽口、竖直且与小球运动轨迹所在平面平行，确保运动小球靠近木板，但不接触木板. (2)在实验中应使用斜槽挡球板，保证小球每次均从同一位置无初速释放 说明：斜槽挡球板的位置应恰当，以便使小球的运动轨迹由木板左上角到右下角. (3)在取下白纸前，应在白纸上记下小球飞离槽口时球心位置0(钢球球心在图板上的水平投影点，而不是斜槽末端点的投影)，如图53所示确定坐标轴原点，并用重垂线过0 作竖直线，以准确确定坐标系的y轴 (4)在轨迹曲线上选点时，应选离坐标原点稍远的点用以测量计算，这样可减小误差 【典型范例导析】 【例1】 在“研究平抛物体的运动”实验中： (1)在安装斜槽时，如何判断其末端切线是否调整为水平? (2)由于需要通过多次释放小球、描点，才能描绘小球的运动轨迹，那么在进行该步骤时应注意什么? 解析 (1)调节斜槽使其末端点的切线水平时，最好使用水准仪如果没有配备水准仪，则可借助小钢球，将其放置于槽的末端，轻轻拨动后，若它能停留在放置的任意位置处，则说明达到要求 (2)在进行该步骤的操作中，应注意两点： (a)释放小球时，应选择合适的初位置，最好使钢球运动轨迹从图板左上角到右下角，以减小测量误差； (b)保证小钢球每次滚下的初始高度相同且均由静止释放，因此，在实验时，应在斜槽上配套安装挡球板若没有配备挡球板，则可用直尺、薄板代替，但不宜直接用手释放 点评研究高考实验试题可知：近年来考查学生动手操作能力的试题几乎年年都有，这充分体现了学生亲自动手操作实验的必要性本例题以“研究平抛物体运动”实验为例说明：为尽量减小实验误差，在对实验器材的安装、调整中，既要有严格的操作要求，又要有灵活处理的方法，学生手脑并用尤为必要 【例2】 在“研究平抛物体运动”实验中，某同学在建立直角坐标系时，有一处失误设他在安装实验装置和进行其余的操作时准确无误 (1)观察如图54，可知，他失误之处是_ (2)他根据记录建立坐标系，运用教材实验原理测得的平抛初速度值与其真实值相比_(选填“偏大”、“相等”或“偏小”) 解析 (1)坐标系原点应建在正飞离斜槽槽口的小球重心处，即在槽口正上方r(r为小球半径)处而该同学却错误地将坐标原点取在槽口处 (2)如图55所示，正确的坐标系横轴应建立在x处，原点应在O处 在轨迹上取点P，其坐标值真实值为(x，y)，测量值为(z，y)，其中yy，x=x 而 当套用课本实验原理而又错取坐标原点时，该同学得到的测量值偏大 点评无论将坐标原点是取在飞离槽口的球心处，还是将原点取在槽口处，只要认清平抛运动在水平方向、竖直方向运动性质，就可这样处理：如图56所示在竖直方向上： 在水平方向上： v0=x/T当改用通用方法处理时，小球平抛初速度测量值会与真实值相吻合【例3】在“研究平抛物体运动”的实验中，某同学记录了运动轨迹上三点A、B、C，如图57所示，以A为坐标原点，建立坐标系，各点坐标值已在图中标出求： (1)小球平抛初速度大小； (2)小球做平抛运动的初始位置坐标 解析 (1)如图57所示，小球在彻段、13(2段水平位移相等，而小球在水平方向作匀速运动，因此小球在这两段的运动时间tAB=tBC=T 小球在竖直方向作匀加速运动，由s=aT2得 25cm一15cm=lOOcms2T2， T=O1s 小球在水平方向上作匀速运动，有v0=10cm/0.1s=lcms=lms (2)由于小球在竖直方向上作匀加速直线运动，小球在B点的竖直分速度大小等于AC段在竖直方向平均速度大小 vBy=0.4/0.2=2(m/s) 设小球从抛出点0到B点历时为tOB，有 tOB=vBy/g=0.2s 小球从抛出点0到A点历时： tOA=tOBT=O1s 因此， xOA=v0tOA=lOcm， yOA=5cm 故0点坐标值为(一10，一5) 点评在学习中应该学会认识事物的本质，而不是肤浅地看表象；例如在解决本例题时，我们关键在于抓住其运动本质，而不是生搬硬套某种解题方法不少学生将图57中的A点作为小球抛出点，运用公式 x=v0t y=1/2gt2必然导致求解错误 在此实验中，由于一些偶然因素对实验者和实验仪器的影响会造成误差(称偶然误差)，减小这类误差的方法是通过多次实验测量、计算最后结果再求其平均值在应用平均法测量间接测量的物理量时，要平均的是待测量(平抛初速度)，而不是直接测量的物理量 如图58所示，斜槽末端切线略向下倾斜，设其切线(虚线)与水平成角 在处理数据时，取小球运动轨迹上某点P点坐标(x，y)，设通过测量计算的小球飞到P点的时间为t测，而小球真实的运动时间为t真，则有 设小球平抛初速度的测量值、真实值分别为t测、t真，有 v测=x/t测， v真= 因此 v测 v真即当斜槽末端切线向下倾斜时会导致小球平抛初速度测量值偏小【能力跟踪训练】 1在“研究平抛物体运动”实验中，白纸在木板上的固定情况如图59所示，正确的做法是 ( ) 2在做“研究平抛物体运动”实验中，应采取下列哪些措施减小实验误差? A斜槽轨道末端切线必须水平 B斜槽轨道必须光滑 C每次要平衡摩擦力 D小球每次应从斜槽同一高度释放 3一个学生在“研究平抛物体运动”的实验中描出了如图5-10所示的几个实验点，其中偏差较大的实验点B产生的原因可能是 ( ) A小球滚下的高度较其它各次高 B小球滚下的高度较其它各次低 C小球在运动中遇到其它各次没有遇到的阻碍 D小球开始滚下时，实验者已给它一个初速度 4在“研究平抛物体的运动”的实验中，要在白纸上作x0y坐标，其中确定y轴的方法是 ( ) A先过斜槽末端O作水平线，再作此水平线的垂线 B过斜槽末端0作一条竖直线 C利用重垂线画出通过斜槽末端0的竖直线 D取白纸的竖直边缘为y轴 5在“研究平抛物体运动”的实验中，为了描出物体的运动轨迹，实验应有下列各个步骤： A以0为原点，画出与y轴相垂直的水平方向x轴； B把事先做好的有缺口的纸片用手按在竖直木板上，使由斜槽上滚下、抛出的小球正好从纸片的方孔中通过，用铅笔在白纸上描下小球穿过这个缺口的位置； C每次都使小球从斜槽上固定的标卡位置开始滚下，用同样的方法描出小球经过的一系列位置，并用平滑的曲线把它们连接起来，这样就描出了小球做平抛运动的轨迹； D用图钉把白纸钉在竖直木板上，并在木板的左上角固定好斜槽； E把斜槽末端拉高一个球半径处定为0点，在白纸上描出0点，利用重垂线在白纸上画出过0点向下的竖直线，定为y轴 在上述的实验步骤中，缺少的步骤F是_. 在实验中，实验步骤的正确顺序是：_. 6如图511所示，用频闪照相法测当地重力加速度时， 用10次/秒的闪光照相机对正在做平抛运动的球拍摄的照 片背景是每格边长为5cm的正方形格子试分析照片求当 地重力加速度【答案与提示】 1C(在描述小球平抛运动轨迹时，要在白纸上建立直角 坐标系，其坐标原点应取在小球脱离槽口时小球重心处，因此：(a)安装白纸时，应将其左靠、对齐桌面边缘(而不是槽口)，且白纸上边缘要高于斜槽末端；(b)白纸面积大小要合适，尽量盖满木板，从而使描出的平抛运动轨迹较长(从白纸的左上角到右下角) 2A、D(当斜槽末端切线没有调整水平时，小球脱离槽口后并非作平抛运动但在实验中，仍按平抛运动分析处理数据，所得的初速度的测量值与真实值肯定不相符，故斜槽末端切线不水平会造成误差，选项A正确每次释放小球时，只要让它从同一高度、无初速开始运动，在相同的情形下，即使球与槽之间存在摩擦力，仍能保证球作平抛运动的初速度相同，因此斜槽轨道不必要光滑，更不必平衡摩擦力选项D正确，B、C中的措施是不必要的) 3B、C(观察描点可知：B点偏差到平抛运动轨迹之下其原因之一可能是由于小球平抛初速度比其它各次偏小，而导致平抛初速度比其它各次小的原因可能是：(a)小球在斜槽上释放的初位置高度偏低；(b)小球在运动中遇到了其它各次没有遇到的阻碍如小球滚下的初位置偏高或小球开始滚下时，实验者不小心给它一个初速度，则描出的该点应在平抛轨迹线之上) 4C(要准确确定坐标系y轴，需明确以下几点：(1)确定坐标轴，需使用重垂线先确定y轴方向，再用三角板确定2轴；(2)坐标原点在斜槽末端之上厂处(厂为小球半径)，因此y轴位置应通过斜槽末端处在安装木板时，应使木板左边缘紧靠桌面边缘，因而白纸的左边缘应在斜槽末端的左边，故不可能取白纸的竖直边缘为y轴) 5在“研究平抛物体的运动”实验中，影响研究、测量误差的重要因素之一是斜槽末端切线是否水平，而本题提供的步骤中正缺少对斜槽的调整其安装、调整要求是：(a)斜槽末端应伸出桌面边缘之外；(b)斜槽末端切线应水平，具体操作方法是：调整斜槽，并将小球放在斜槽末端，轻轻拨动小球，若小球可停留在槽末端的任何位置，说明斜槽末端切线已调整呈水平因此，