人教版高中物理必修二 （实验：探究平抛运动的特点）抛体运动新课件

3.实验:探究平抛运动的特点

【实验目的】1.用实验的方法描出平抛运动的轨迹。2.判断平抛运动的轨迹是否为抛物线。3.根据平抛运动的轨迹求其初速度。【实验目的】斜槽,_______________,白纸,小球,图钉,铅笔,有孔的卡片,刻度尺,重垂线平抛运动实验器【实验器材】1.实验的基本思想——___________。2.实验原理:(1)用卡位法描点并绘制小球平抛运动的轨迹。(2)建立坐标系,测出轨迹上某点的坐标x、y,据x=___,y=______得初速度v0=______。控制变量法v0t【实验过程】一、实验步骤1.安装实验器材:(1)将带有斜槽的平抛运动实验器置于桌面上,装好平抛轨道,调整斜槽末端切线水平;然后,调节调平螺丝,观察重垂线或气泡水准,使面板处于竖直平面内,卡好定位板,装置如图所示。

(2)给描迹记录纸衬垫一张复写纸或打字蜡纸,紧贴记录面板用压纸板固定在面板上。2.建立坐标系:把小球放在槽口处,用铅笔记下小球在槽口(斜槽末端)时球心所在描迹记录纸的投影点O,O点即为坐标原点,用重垂线画出过坐标原点的竖直线,作为y轴,画出过坐标原点水平向右的直线,作为x轴。3.确定小球的位置:(1)把接球挡板拉到最上方一格的位置。(2)将定位板定在某一位置固定好,小球紧靠定位板由静止释放,小球沿轨道向下运动,以一定的初速度由轨道的平直部分水平抛出。(3)下落的小球打在向记录面板倾斜的接球挡板上,同时在记录面板上留下一个印迹点。(4)再将接球挡板向下拉一格,重复上述操作方法,打出第二个印迹点,如此继续下拉接球挡板,直至最低点,即可得到平抛的小球下落时的一系列印迹点。4.描点得轨迹:取下描迹记录纸,将描迹记录纸记下的一系列点用平滑曲线连起来,即得到小球做平抛运动的轨迹。【思考·讨论】除上述获得小球做平抛运动的轨迹的方法外,还可以如何获取平抛运动的轨迹? (科学探究)提示:利用频闪照相法和喷水法获取平抛运动的轨迹。二、数据处理1.判断平抛运动的轨迹是否为抛物线:在x轴上作出等距离的几个点A1、A2、A3…向下作垂线,垂线与抛体轨迹的交点记为M1、M2、M3…用刻度尺测量各点的坐标(x,y)。(1)代数计算法:将某点(如M3点)的坐标(x,y)代入y=ax2求出常数a,再将其他点的坐标代入此关系式看看等式是否成立,若等式对各点的坐标都近似成立,则说明描绘得出的曲线为抛物线。(2)图像法:建立y-x2坐标系,根据所测量的各个点的x坐标值计算出对应的x2值,在坐标系中描点,连接各点看是否在一条直线上,若大致在一条直线上,则说明平抛运动的轨迹是抛物线。2.计算初速度:在小球平抛运动轨迹上选取分布均匀的六个点——A、B、C、D、E、F,用刻度尺、三角板测出它们的坐标(x,y),并记录在下面的表格中,已知g值,利用公式y=gt2和x=v0t,求出小球做平抛运动的初速度v0,最后算出v0的平均值。【思考·讨论】如何获取以下物体平抛运动的初速度? (科学思维)提示:在竖直方向上,根据Δy=2L=gT2得相等的时间间隔为:T=,物体平抛运动的初速度为:v0==3。【误差分析】1.用轨迹法时斜槽末端没有水平,使得小球离开斜槽后不做平抛运动。2.描点不准确。3.在轨迹上量取某点坐标(x,y)时出现误差。【注意事项】1.斜槽安装:实验中必须调整斜槽末端的切线水平,将小球放在斜槽末端水平部分,若没有明显的运动倾向,斜槽末端的切线就水平了。2.方木板固定:方木板必须处于竖直平面内,固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。3.小球释放:(1)小球每次必须从斜槽上同一位置滚下。(2)小球开始滚下的位置高度要适中,以使小球平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。4.坐标原点:坐标原点不是槽口的端点,应是小球出槽口时球心在木板上的投影点。5.初速度的计算:在轨迹上选取离坐标原点O点较远的一些点来计算初速度。【思考·讨论】如图所示是此装置拍摄小球做平抛运动的频闪照片,由照片可以判断实验操作错误的原因是什么? (科学探究)提示:斜槽末端没有调节切线水平。类型一实验原理及操作【典例1】用如图1所示装置研究平抛运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出,落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复,白纸上将留下一系列痕迹点。 (1)下列实验条件必须满足的有____________。

A.斜槽轨道光滑B.斜槽轨道末段水平C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究,建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。a.取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点,钢球的____________(选填“最上端”“最下端”或“球心”)对应白纸上的位置即为原点;在确定y轴时____________(选填“需要”或“不需要”)y轴与重垂线平行。

b.若遗漏记录平抛轨迹的起始点,也可按下述方法处理数据:如图2所示,在轨迹上取A、B、C三点,AB和BC的水平间距相等且均为x,测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2,则_________

(选填“大于”“等于”或“小于”)。可求得钢球平抛的初速度v0大小为____________(已知当地重力加速度为g,结果用上述字母表示)。

(3)为了得到平抛物体的运动轨迹,同学们还提出了以下三种方案,其中可行的是____________。

A.从细管水平喷出稳定的细水柱,拍摄照片,即可得到平抛运动轨迹B.用频闪照相法在同一底片上记录平抛钢球在不同时刻的位置,平滑连接各位置,即可得到平抛运动轨迹C.将铅笔垂直于竖直的白纸板放置,笔尖紧靠白纸板,铅笔以一定初速度水平抛出,将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹【解析】根据平抛运动的规律:水平方向匀速直线运动,竖直方向自由落体运动解答。(1)本实验中要保证钢球飞出斜槽末端时的速度水平,即钢球做平抛运动,且每次飞出时的速度应相同,所以只要每次将钢球从斜槽上同一位置由静止释放即可,故B、D正确;(2)a.平抛运动的起始点应为钢球静置于Q点时,钢球的球心对应纸上的位置,由于平抛运动在竖直方向做自由落体运动,所以在确定y轴时需要y轴与重垂线平行;b.由初速度为零的匀加速直线运动规律即在相等时间间隔内所通过的位移之比为1∶3∶5∶7∶…可知,由于A点不是抛出点,所以>;设AB,BC间所用的时间为T,竖直方向有:y2-y1=gT2,水平方向有:x=v0T,联立解得:v0=x;(3)细管A始终在水面之下,B就会喷出稳定的细水柱,故可行。A正确;用频闪照相法在同一底片上记录钢球不同时刻的位置即平抛运动的轨迹上的点,平滑连接在一起即为平抛运动轨迹,所以此方案可行,B正确;将铅笔垂直于竖直的白板放置,以一定初速度水平抛出,笔尖与白纸间有摩擦阻力,所以铅笔做的不是平抛运动,故此方案不可行,C错误。答案:(1)B、D(2)a.球心需要b.大于x

(3)A、B类型二数据处理【典例2】(1)在“研究平抛物体的运动”的实验中,为减小空气阻力对小球的影响,选择小球时,应选择下列的____________。

A.实心小铁球 B.空心铁球C.实心小木球 D.以上三种球都可以(2)在研究平抛运动的实验中,斜槽末端要___________,且要求小球要从____________释放,现用一张印有小方格的纸记录轨迹,小方格边长L=2.5cm,若小球在平抛运动途中的几个位置如图所示,小球由A到B位置的时间间隔为_______________s,小球平抛的初速度大小为____________m/s。小球在B点的速度为______m/s。

【解析】(1)为了减小空气阻力对小球的影响,要选择体积较小质量较大的小球,故选实心小铁球,故A正确,B、C、D错误;(2)在研究平抛运动的实验中,为保证小球做平抛运动斜槽末端要水平,为保证每次运动轨迹相同要求小球从同一位置释放,小球竖直方向做自由落体运动,有:Δh=gT2,即为:L=gT2,得:T=s=0.05s。小球初速度为:v0=m/s=1m/s;B位置竖直方向速度为:vy=m/s=0.75m/s;则B点的速度为:vB=m/s=1.25m/s。答案:(1)A

(2)切线水平同一位置0.05

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1.25类型三实验创新【典例3】如图所示,请利用频闪照相的方法,设计实验方案测量平抛运动的速度。1.实验创新思路:改进平抛运动轨迹上点迹的确定方式。2.实验步骤:(1)按照如图所示的装置组装实验器材,并调节__________________。(2)让小球从斜槽上某点由_________,从斜槽末端开始做平抛运动。斜槽末端切线水平静止释放(3)由频闪照相法记录小球在不同时刻的位置。(4)用平滑的轨迹将小球的位置连起来。(5)以抛出点为坐标原点,沿水平和竖直方向分别建立x轴和y轴。(6)测量运动轨迹上某点的水平和竖直位移。3.误差分析:(1)轨道要求:轨道斜槽末端切线水平。(2)坐标系原点的确定:以小球静止在斜槽末端时,球心在竖直面内的投影位置为坐标原点。【创新评价】

实验：验证机械能守恒定律核心素养目标科学探究能制订验证机械能守恒定律的实验方案，确定需要测量的物理量，学会正确使用实验器材获取数据，对数据进行分析后得出结论，与同学讨论并分析误差及产生的原因，并能用物理语言准确描述实验结论。科学态度与责任通过实验验证，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。知识点一实验思路1.自由下落的物体只受到_______作用，满足机械能守恒的条件。2.物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的___________，但__________与物体位移方向垂直(如图)，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。重力支持力支持力3.用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向_______，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只

有重力做功，也满足机械能守恒的条件。

在只有重力做功的物体系统内，动能与重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 ΔEp减＝ΔEk增垂直知识点二物理量的测量1.安装置：按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。2.打纸带：(1)将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。 (2)先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。 (3)关闭电源，取下纸带。更换纸带重复做3～5次实验。3.选纸带 (1)点迹清晰。实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第1个点是一个清晰的点。 (2)所打的点呈一直线。4.测长度：用毫米刻度尺测出所选定的各计时点到基准点的距离。铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。(1)减小各种阻力的措施①安装时使打点计时器的限位孔与纸带处于同一竖直平面内。②应选用质量和密度较大的重物。(2)因重物下落过程中要克服阻力做功，实验中动能增加量必定稍小于重力势能减少量，否则实验数据不准确。知识点三数据分析利用公式势能减少量不用测量质量mghn3.验证方案核心要点一实验原理与操作[例1]

如图为验证“机械能守恒定律”的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要的器材有________。(填入正确选项前的字母)A.毫米刻度尺B.秒表C.0～12V的直流电源D.4～6V的交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器材B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上C.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带，再更换纸带重复多次D.测量纸带上某些点间的距离E.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中操作错误的步骤是________________。(3)实验中误差产生的原因有___________________________________________________________________________________________________________________(写出两个原因)。解析

(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要毫米刻度尺、4～6V的交流电源。(2)其中操作错误的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时器需要交流电源。(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用毫米刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定等。答案

(1)AD

(2)B

(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用毫米刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；交流电源频率不稳定[针对训练1](1)在利用重锤做自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，有关重锤的质量，下列说法正确的是(

) A.应选用质量较大的重锤，使重锤和纸带所受的重力远大于它们所受的阻力 B.应选用质量较小的重锤，使重锤的惯性小一些，下落时更接近于自由落体运动 C.不需要称量重锤的质量 D.必须称量重锤的质量(2)在该实验中，选定了一条较为理想的纸带，如图所示，“0”为起始点，以后纸带上所打的各点依次记为1、2、3…，测得的x1、x2、x3…是重锤从开始运动到各时刻的位移。已知打点计时器的打点周期为T，重锤质量为m，重力加速度为g，则当打点计时器打点“4”时，重锤动能的表达式为________；从“0”点到“4”点的过程中重锤重力势能的减少量表达式为______________。核心要点二实验数据的处理[例2]

在“验证机械能守恒定律”的实验中，现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、重锤(带夹子)、天平、毫米刻度尺、50Hz交流电源。回答下列问题： (1)用打点计时器打出一条纸带，前后要连续进行一系列的操作，下列各步骤的先后顺序合理的是________。 A.释放纸带

B.接通电源 C.取下纸带

D.切断电源(2)如图所示，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是________(填“甲”“乙”“丙”或“丁”)。(3)某同学用正确的方法获得了一条纸带，并以起点为计数点O，后隔一段距离，取连续点为计数点A、B、C、D、E、F，如图所示。已知重锤的质量为0.5kg，则电磁打点计时器打下E点时，重锤减少的重力势能ΔEp＝________J，重锤增加的动能ΔEk＝________J(取重力加速度g＝9.8m/s2，计算结果保留2位有效数字)，重锤增加的动能ΔEk与减少的重力势能ΔEp的大小关系为ΔEk________ΔEp(选填“大于”“小于”或“等于”)。解析(1)根据实验原理和要求：实验中先接通电源，再释放纸带，然后切断电源，最后取下纸带，所以实验的步骤顺序为BADC。(2)为了减小实验误差，释放前必须保持提起的纸带处于竖直位置，并且使重锤靠近打点计时器，故合理的位置为丙图。答案(1)BADC

(2)丙(3)0.35

0.33小于[针对训练2]

利用如图甲所示装置验证机械能守恒定律：质量m＝0.20kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点。如图乙所示为选取的一条符合实验要求的纸带，O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续点(其他点未画出)。已知打点计时器每隔0.02s打一次点，当地的重力加速度g＝10m/s2。(计算结果均取3位有效数字) (1)下列实验操作步骤中错误的是(

) A.把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源上 B.将连有重物的纸带穿过限位孔，将纸带和重物提升到一定高度 C.先释放纸带，再接通电源 D.更换纸带，重复实验，根据记录处理数据(2)根据图乙所得的数据，应取图中O点和________点来验证机械能守恒定律，那么打下该点时重物的瞬时速度大小为________m/s。(3)从O点到所取点，重物重力势能减少量ΔEp＝________J，动能增加量ΔEp________J，从而验证了在误差允许范围内机械能守恒。甲乙解析(1)把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源上，选项A正确；将连有重物的纸带穿过限位孔，将纸带和重物提升到一定高度，选项B正确；先接通电源，再释放纸带，选项C错误；更换纸带，重复实验，根据记录处理数据，选项D正确。答案(1)C

(2)B

1.92

(3)0.384

0.369[例3]

利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到