高考物理一轮复习第四章曲线运动万有引力与航天第7课时探究平抛运动的特点学案新人教版

第7课时　探究平抛运动的特点

 [把握经典实验方案]

一、实验目的

1．用实验的方法描绘平抛运动轨迹。

2．根据实验确定平抛物体的初速度。

二、实验原理

平抛运动可看作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，则x＝v0t，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，再利用公式求v0＝＝x ，求出平抛物体的初速度。

三、实验器材

斜槽、坐标纸、图钉、白纸、木板及竖直固定架、铅笔、三角板、有孔卡片、铅垂线、小钢球和刻度尺。

四、实验步骤

1．将斜槽放在桌面上，让其末端伸出桌面边缘外，调节末端，使槽末端切线水平，随之将其固定，如图所示。

2．在带有支架的木板上，用图钉钉好白纸，并让竖直放置的木板左上方靠近槽口，使小钢球滚下飞出后的轨道平面跟板面平行，如图所示。

3．把小钢球飞离斜槽末端时的球心位置投影到白纸上，描出点O。

4．让小钢球每次都从斜槽上同一适当位置滚下，将中心有孔的卡片靠在纸面上，每次飞行的小钢球顺利地穿过卡片上的小孔时，用铅笔做上记号。

5．把白纸从木板上取下来，再将上面依次记下的一个个点连成平滑曲线，这样就描绘出了平抛小钢球的运动轨迹。

五、数据处理

1．以O点为原点，水平方向为x轴，竖直向下方向为y轴建立坐标系。

2．在小钢球平抛运动轨迹上选取A、B、C、D、E五个点，测出它们的x、y坐标值，记到表格内。

3．把测到的坐标值依次代入公式v0＝x ，求出小钢球平抛的初速度，并计算其平均值。

[融通多彩实验方案]

1．教科版新教材——平抛运动的实验研究

实验装置图

[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

1．两个同学根据不同的实验条件，进行了“探究平抛运动的特点”的实验：

(1)甲同学采用如图甲所示的装置，用小锤击打弹性金属片，使A球沿水平方向弹出，同时B球被松开，自由下落，观察到两球同时落地，改变小锤击打的力度，即改变A球被弹出时的速度，两球仍然同时落地，这说明________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)乙同学采用如图乙所示的装置，两个相同的弧形轨道M、N分别用于发射小铁球P、Q，其中N的末端可看作与光滑的水平板相切，两轨道上端分别装有电磁铁C、D；调节电磁铁C、D的高度使AC＝BD，从而保证小铁球P、Q在轨道出口处的水平初速度v0相等。现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，然后切断电源，使两小球同时以相同的初速度v0分别从轨道M、N的末端射出，实验可观察到的现象应是______________________。仅仅改变弧形轨道M的高度，重复上述实验，仍能观察到相同的现象，这说明________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)通过对照实验，说明两球运动具有等时性，由此说明平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动；

(2)两球在水平轨道上相遇，水平方向运动情况相同，说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。

答案：(1)平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动

(2)P球击中Q球　平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动

2.在“探究平抛运动的特点”的实验中，可以描绘平抛物体运动轨迹和求物体的平抛初速度。

(1)实验简要步骤如下：

A．如图所示，安装好器材，注意斜槽末端水平以及平板竖直放置，记下斜槽末端O点和过O点的竖直线，检测斜槽末端水平的方法是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

B．让小球多次从__________(选填“同一”或者“不同”)位置滚下，记下小球穿过卡片孔的一系列位置。

C．测出曲线上某点的x、y坐标值，(当地重力加速度g已知)用v0＝________算出该小球的平抛初速度，实验需要对多个点求v0的值，然后求它们的平均值。

D．取下白纸，以O为原点，以竖直线为轴建立坐标系，用平滑曲线画平抛轨迹。

(2)研究平抛运动，下面说法正确的是__________。

A．使用密度大、体积小的小球

B．必须测出平抛小球的质量

C．将木板校准到竖直方向，并使木板平面与小球下落的竖直平面平行

D．尽量减小小球与斜槽之间的摩擦

解析：(1)步骤A中，根据平衡条件，将小球静止放在槽口任一位置，小球不会滚动，此时FN竖直向上，说明末端水平；步骤B中要记下小球运动途中经过一系列位置，不可能在一次平抛中完成，每次平抛只能确定一个位置，要确定多个位置，要求小球每次的轨迹重合，故小球平抛时的初速度必须相同，小球每次从同一位置滚下；步骤C中，由x＝v0t及y＝gt2得v0＝x 。

(2)研究平抛运动，一是尽量减小小球运动中空气阻力的影响，二是准确地描绘出小球的轨迹，故A、C正确。

答案：(1)让小球置于槽口任一位置，小球均不发生滚动　同一　x 　(2)AC

考法二　数据处理和误差分析

3．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9.8 m/s2)。

解析：由平抛运动的规律知，在水平方向上小球做匀速直线运动，则x＝v0t①

竖直方向上小球做自由落体运动，则y＝gt2②

将其中一组数据如x＝32.0 cm，y＝19.6 cm代入①②式得v0＝1.6 m/s。

答案：1.6

4．(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0.2 m，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15.0 cm、25.0 cm、35.0 cm，示意如图2。重力加速度g＝10 m/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0.2 m，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＝0.1 s，钢球平抛的初速度v0＝＝2 m/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

 [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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

每次让小球从同一位置由静止释放，是为了________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)每次将B板向内侧平移距离d，是为了________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)在图乙中绘出小球做平抛运动的轨迹。

[三步化“新”为“熟”]

1．实验目的：探究平抛运动的特点。

2．实验仪器：与“斜面小槽法”实验中的装置类似。

3．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________________________________________________________________________。

[三步化“新”为“熟”]

1．实验目的：与探究平抛运动的特点相似。

2．实验仪器：用弹射器代替斜槽。

3．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。

[解析]　(1)如图所示：

(2)安装时要注意弹射器应固定，且弹射器发射方向应保持水平；

(3)实验中需测量弹丸射出的水平距离x和弹射器与水平地面的高度差h；

(4)在弹射器高度不变的情况下多次实验，取x1、x2、…、xn的平均值　作为实数据；

(5)由＝v弹丸t，h＝gt2得，v弹丸＝＝　。

[答案]　见解析

[创新角度归纳]