第五讲　实验：探究平抛运动的特点

第五讲实验：探究平抛运动的特点[把握经典实验方案]一、基本原理与操作1．实验原理：平抛运动可看作两个分运动的合成：一个是水平方向的匀速直线运动，另一个是竖直方向的自由落体运动，则水平方向上有x＝v0t，竖直方向上有y＝

gt2，令小球做平抛运动，利用追踪法逐点描出小球运动的轨迹，建立坐标系，测量出x、y，再利用公式可得初速度v0＝x

。2．实验器材：斜槽、竖直固定在铁架台上的木板、铅笔、白纸、图钉、小球、刻度尺、铅垂线。3．实验步骤(1)按实验原理图甲安装实验装置，使斜槽末端水平。(2)以水平槽末端端口上小球球心位置为坐标原点O，过O点画出竖直的y轴和水平的x轴。(3)使小球从斜槽上同一位置由静止滚下，把笔尖放在小球可能经过的位置上，如果小球运动中碰到笔尖，就用铅笔在该位置画上一点。用同样方法，在小球运动路线上描下若干点。(4)将白纸从木板上取下，从O点开始连接画出的若干点描出一条平滑的曲线，如实验原理图乙所示。二、实验核心关键点1．数据处理(1)判断平抛运动的轨迹是不是抛物线①原理：若平抛运动的轨迹是抛物线，则当以抛出点为坐标原点建立直角坐标系后，轨迹上各点的坐标具有y＝ax2的关系，且同一轨迹上a是一个特定的值。②实验方法方法一：代入法用刻度尺测量几个点的x、y坐标，分别代入y＝ax2中求出常数a，看计算得到的a值在误差范围内是否为一常数。方法二：图像法建立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y值的x2值，在y-x2坐标系中描点，连接各点看是否在一条直线上，并求出该直线的斜率即为a值。2．误差分析(1)斜槽末端没有调节成水平状态，导致初速度不水平。(2)坐标原点不够精确等。(3)轨迹上的描点不准确。[融通多彩实验方案]1．教科版新教材——平抛运动的实验研究[要点解读](1)打击弹片使小球A平抛的同时小球B做自由落体运动，观察实验结果。(2)改变打击弹片的力度，改变小球A平抛的初速度，观察实验结果。(3)通过实验发现A、B两球总是同时落地，说明小球A做平抛运动在竖直方向的分运动与小球B的运动相同。2．粤教版新教材——探究平抛运动实验装置图[要点解读](1)可用平抛运动实验器分别研究平抛运动在水平方向的分运动特点和在竖直方向的分运动特点。(2)碰撞开关能同时控制电磁铁C、D、E电源的通断。(3)控制小钢球在轨道A、B上的初始位置相对于各自轨道出口水平线处的高度相同，控制小钢球在电磁铁E上的位置与轨道A出口在同一高度。[归纳共性实验关键]1．不变的实验原理通过实验探究平抛运动在竖直方向的分运动为自由落体运动，在水平方向的分运动为匀速直线运动。2．必备的实验器材斜槽、小钢球、铅垂线。3．共同的注意事项(1)斜槽末端切线方向必须水平，以保证小钢球做平抛运动。(2)每次释放小钢球的位置必须相同，以保证小钢球平抛的初速度相同。考法一实验原理与操作1．在“探究平抛物体的运动”的实验中：(1)为使小球水平抛出，必须调整斜槽，使其末端的切线成水平方向，检查方法是_______________________________________________________________。(2)小球抛出点的位置必须及时记录在白纸上，然后从这一点画水平线和竖直线作为x轴和y轴，竖直线是用______来确定的。(3)某同学建立的直角坐标系如图所示，设他在安装实验装置和其余操作时准确无误，只有一处失误，即是___________。(4)该同学在轨迹上任取一点M，测得坐标为(x，y)，则初速度的测量值为v0＝________(已知重力加速度为g)，测量值比真实值要_______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。[关键点拨](1)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。(2)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，固定时要用铅垂线检查坐标纸竖线是否竖直。(3)小球每次从斜槽上的同一位置由静止释放，为此，可在斜槽上某一位置固定一个挡板。(4)要在斜槽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。(5)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。(6)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。考法二数据处理和误差分析2．如图甲所示是“探究平抛运动的特点”的实验装置图，图乙是实验后记录的数据，其中0点为抛出点，则此小球做平抛运动的初速度为__________m/s(g取9.8m/s2)。答案：1.63．(2021·全国乙卷)某同学利用图(a)所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图(b)所示(图中未包括小球刚离开轨道的图像)。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图(b)中标出。完成下列填空：(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图(b)中位置A时，其速度的水平分量大小为________m/s，竖直分量大小为________m/s；(2)根据图(b)中数据可得，当地重力加速度的大小为________m/s2。答案：(1)1.0

2.0

(2)9.7[例1]某同学设计了一个“探究平抛运动的特点”的实验。实验装置示意图如图甲所示，A是一块平面木板，在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽(如图甲中P0P0′、P1P1′、…)，槽间距离均为d。把覆盖复写纸的白纸铺贴在硬板B上。实验时依次将B板插入A板的各插槽中，每次让小球从斜轨道的同一位置由静止释放。每打完一点后，把B板插入后一槽中并同时向纸面内侧平移距离d。实验得到的小球在白纸上打下的若干痕迹点如图乙所示。(1)实验前应对实验装置反复调节，直到____________________________________________________________________________________________________。每次让小球从斜轨道的同一位置由静止释放，是为了__________________________________________________________________________________________。(2)每次将B板向内侧平移相同距离d，是为了_________________________________________________________________________________________________。(3)在图乙中绘出小球做平抛运动的轨迹。[解题指导]三步化“新”为“熟”分析实验目的探究平抛运动的特点。熟悉实验仪器与“斜面小槽法”实验中的装置类似。确定实验原理连续两个点的水平距离相同，竖直方向时间间隔相同，轨迹仍然是平抛运动的轨迹。[解析]

(1)对实验装置反复调节的目的：①使斜轨道末端切线水平，以保证小球离开轨道时做平抛运动；②使A板水平，保证B板总处于同一高度；③使插槽P0P0′垂直斜轨道并在斜轨道末端正下方，以保证B板在P0P0′时小球的痕迹为抛出点。每次让小球从同一位置由静止释放，是为了保证小球每次以相同初速度做平抛运动。(2)每次将B板向内侧平移距离d，是为了使记录纸上每两点间的水平距离相等。(3)如图所示。[答案]

(1)斜轨道末端切线水平、A板水平、插槽P0P0′垂直斜轨道并在斜轨道末端正下方使小球每次做平抛运动的初速度都相同(2)使记录纸上每两点之间的水平距离相等(3)见解析图[例2]

试根据平抛运动原理设计“测量弹射器弹丸出射初速度”的实验方法，提供的实验器材有：弹射器(含弹丸，如图所示)、铁架台(带有夹具)、米尺(重力加速度g已知)。(1)画出实验示意图。(2)在安装弹射器时应注意：___________________________________________。(3)实验中需要测量的物理量(在画出的示意图中用字母标出)：__________。(4)由于弹射器每次射出的弹丸初速度不可能完全相等，在实验中采取的方法是____________________________________________________________________。(5)计算公式为______________________________________________________。[解题指导]三步化“新”为“熟”分析实验目的与探究平抛运动的特点相似。熟悉实验仪器用弹射器代替斜槽。确定实验原理竖直方向小球做自由落体运动，可求运动时间t，水平方向小球做匀速直线运动，可求初速度v弹丸。[答案]见解析[创新演练]1．(2020·天津等级考)某实验小组利用图1所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。(1)为了正确完成实验，以下做法必要的是________。A．实验时应保持桌面水平B．每次应使钢球从静止开始释放C．使斜面的底边ab与桌边重合D．选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面(2)实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2m，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如图2。重力加速度g＝10m/s2，钢球平抛的初速度为________m/s。(3)图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是_______________________。解析：(1)为了使钢球离开桌面做平抛运动，实验时应保持桌面水平，A项正确；为了使钢球做平抛运动的初速度相同，每次应使钢球从同一位置由静止释放，B项正确；若斜面底边与桌边重合，则钢球抛出后将做斜下抛运动，C项错误；因每次从同一斜面同一位置无初速度释放，钢球经历相同运动过程，则到达斜面底端的速度相同，故不需要选择摩擦力小的斜面，D项错误。(2)钢球水平速度不变，木板每次沿水平方向移动0.2m，由平抛运动特点知：相邻两点间的运动时间相等，设为T，钢球在竖直方向做自由落体运动，有Δh＝h3－h2＝h2－h1＝gT2，得T＝0.1s，钢球平抛的初速度v0＝

＝2m/s。(3)本实验要保证木板竖直，铅垂线可方便将木板调整到竖直。答案：(1)AB

(2)2

(3)方便将木板调整到竖直平面2．未来在一个未知星球上用如图(a)所示装置做探究平抛运动的特点的实验。悬点O正下方P点处有水平放置的炽热电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出做平抛运动。现对小球的平抛运动用频闪数码照相机连续拍摄。在有坐标纸的背景屏前，拍下了小球做平抛运动过程中的多张照片，经合成后，照片如图