必修 第二册3 实验：探究平抛运动的特点精品导学案

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一、抛体运动和平抛运动
1．抛体运动
(1)定义：以一定的速度将物体抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，物体只受重力作用的运动。
(2)条件：
①有一定的初速度；
②只受重力作用。
2．平抛运动
(1)定义：初速度沿水平方向的抛体运动。
(2)特点：
①初速度沿水平方向；
②只受重力作用。
(3)平抛运动的性质：加速度为g的匀变速曲线运动。
(1)抛体运动中都忽略空气阻力，只受重力作用。( √ )
(2)抛体运动的轨迹都是曲线。( × )
(3)平抛运动的初速度可以不水平。( × )
(4)抛体运动都是匀变速运动。( √ )
二、实验：探究平抛运动的特点
1．实验思路
(1)基本思路：根据运动的分解，把平抛运动分解为不同方向上两个相对简单的直线运动，分别研究物体在这两个方向的运动特点。
(2)平抛运动的分解：可以尝试将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动。
2．进行实验
方案1：用频闪照相法探究平抛运动
用频闪照相法可记录平抛运动的轨迹。如图所示，由于相邻两帧照片间的时间间隔相等，只要测出相邻两帧照片中小钢球运动的水平距离及竖直距离，就很容易判断平抛运动在水平方向和竖直方向上的运动特点。
(1)小球在水平方向做匀速运动，竖直方向做加速运动。
(2)在水平起抛点以球心为坐标原点，建立坐标系来研究小球的水平位移和竖直位移。
(3)根据小球第一个T时间内、第二个T时间内、…做平抛运动的水平位移和竖直位移特点判断出小球水平方向做匀速运动，竖直方向做自由落体运动。
方案2：分方向探究平抛运动规律
步骤1：探究平抛运动竖直分运动的特点
(1)实验过程
按如图所示操作实验，用小锤击打弹性金属片，因金属片C受到小锤的击打，向前推动小钢球A，使小钢球A具有水平初速度，做平抛运动，同时松开小钢球B，使B从孔中自由落下，做自由落体运动。
(2)实验分析
仔细观察可以得知，不管小钢球距地面的高度为多大，也不管小锤击打金属片的力度多大(小锤击打金属片的力度越大，小钢球A水平抛出的初速度越大)，两小钢球每次都是同时落地，说明两小钢球在空中运动的时间相等，也就说明了做平抛运动的物体在竖直方向上的分运动是自由落体运动。
步骤2：探究平抛运动水平分运动的特点
(1)装置和实验
①如图所示，安装实验装置，使斜槽M末端水平，使固定的背板竖直，并将一张白纸和复写纸固定在背板上，N为水平放置的可上下调节的倾斜挡板。
②让钢球从斜槽上某一高度滚下，从末端飞出后做平抛运动，使小球的轨迹与背板平行。钢球落到倾斜的挡板N上，挤压复写纸，在白纸上留下印迹。
③上下调节挡板N，进行多次实验，每次使钢球从斜槽上同一(选填“同一”或“不同”)位置由静止滚下，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。
④以斜槽水平末端端口处小球球心在白纸上的投影点为坐标原点O，过O点画出竖直的y轴和水平的x轴。
⑤取下坐标纸，用平滑的曲线把这些印迹连接起来，得到钢球做平抛运动的轨迹。
⑥根据钢球在竖直方向是自由落体运动的特点，在轨迹上取竖直位移为y、4y、9y、…的点，即各点之间的时间间隔相等，测量这些点之间的水平位移，确定水平分运动的特点。
⑦结论：平抛运动在相等时间内水平方向位移相等，平抛运动在水平方向上为匀速直线运动。
(2)注意事项
①实验中必须调整斜槽末端的切线水平，使小球做平抛运动(调节方法：将小球放在斜槽末端水平部分，若小球静止，则斜槽末端水平)。
②背板必须处于竖直面内，固定时要用铅垂线检查坐标纸竖线是否竖直。
③小球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放，这样可以使小球每次的轨迹相同。
④坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时小球球心在背板上的投影点。
⑤小球开始滚下的位置高度要适中，以使小球做平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。
例1 (2022·广州市高一期末)如图所示是某小组制作的研究平抛运动的实验装置，在竖直板上不同高度处固定两个完全相同的圆弧轨道，轨道的末端水平，在它们相同的位置上各安装一个电磁铁，两个电磁铁由同一个开关1控制，在上轨道末端O点同一高度处固定第三块电磁铁，并通过O点处的开关2控制。通电后，三块电磁铁分别吸住三个相同的小铁球A、B、C。断开开关1，A、B两个小铁球同时开始运动，当A小球运动到斜槽末端O点处时，触动开关2，C小球开始做自由落体运动，同时A小球做平抛运动，B球进入一个光滑的水平轨道，三个小球恰好在P点相遇。
(1)球A、B在P点相遇，说明平抛运动在水平方向是________运动；
(2)球A、C在P点相遇，说明平抛运动在竖直方向是________运动；
(3)实验中，斜槽末端O点的切线必须是水平的，这样做的目的是________。
A．保证小铁球飞出时，速度既不太大，也不太小
B．保证小铁球飞出时，初速度水平
C．保证小铁球在空中运动的时间每次都相等
D．保证小铁球运动的轨迹是一条抛物线
答案 (1)匀速直线 (2)自由落体 (3)B
解析 (1)球A、B在P点相遇，说明两球在水平方向的运动完全相同，即说明平抛运动在水平方向是匀速直线运动；
(2)球A、C在P点相遇，说明两球在竖直方向的运动完全相同，说明平抛运动在竖直方向是自由落体运动；
(3)实验中，斜槽末端O点的切线必须是水平的，这样做的目的是保证小铁球飞出时，初速度水平，从而使小球做平抛运动。故选B。
例2 某同学用如图所示的实验装置做“探究平抛运动的特点”的实验。
(1)为了能较准确地描绘小球的运动轨迹，下列说法正确的是________。
A．小球做平抛运动时应与木板摩擦，以便画出运动轨迹
B．本实验不需要用天平测出小球的质量，也不需要配备铅垂线
C．为了保证小球沿水平方向飞出，应将斜槽轨道的末端调成水平
D．以小球在斜槽末端时球心在方格纸上的投影点作为所建坐标系的原点O
(2)在此实验中，每次都要让小球从斜槽上的同一位置由静止滚下，但小球与斜槽间有摩擦力，这个摩擦力________(选填“会”或“不会”)使实验的误差增大。
答案 (1)CD (2)不会
解析 (1)小球做平抛运动时，不应使其与木板摩擦，以免影响运动的轨迹，故A错误；
本实验不需要用天平测出小球的质量，但需要配备铅垂线，以便确定竖直方向，故B错误；
为了保证小球沿水平方向飞出，应将斜槽轨道的末端调成水平，故C正确；小球从斜槽上某位置由静止滚下，离开斜槽末端后做平抛运动，应以小球在斜槽末端时球心在方格纸上的投影点作为所建坐标系的原点O，故D正确。
(2)只要让小球每次均从斜槽上同一位置由静止滚下，小球到达斜槽末端时速度就相同，可知小球与斜槽间的摩擦力不会增大实验误差。
针对训练 如图是实验室内研究平抛运动的装置。
该实验中，让小球多次从斜槽上由静止滚下，在白纸上依次记下小球的位置，同学甲和同学乙得到的记录纸分别如图甲、乙所示，从图中明显看出甲的实验错误是_____________，乙的实验错误是_______________________。
答案 斜槽末端不水平 每次由静止释放小球的位置不同
解析 用平滑曲线描绘出小球的运动轨迹，题图甲中小球的初速度明显不沿水平方向，故可推知斜槽末端不水平。题图乙中描绘的点零乱，难以形成一条平滑曲线，可推知初速度不是每次都相同，即每次由静止释放小球的位置不同。
例3 用频闪照相法探究平抛运动的特点，如图所示，记录了物体在不同时刻的位置，已知频闪周期一定，如果把平抛运动分解为水平运动和竖直运动，观察图片可知：
(1)物体在水平方向上做________运动，在竖直方向上做________运动，并说明理由：____________。
(2)图中a点______________(选填“是”或“不是”)抛出点，请说明理由：________________________________________________________________________。
答案 (1)匀速直线 匀加速直线 理由见解析 (2)不是 理由见解析
解析 (1)记录物体位置的a、b、c、d相邻两点间的水平距离均相等，为两个小格，即水平方向上在相同时间内发生的位移相等，故物体在水平方向上做匀速直线运动；相邻两点间的竖直距离分别为1格、2格、3格，所以在竖直方向满足“相等时间内相邻位移差相等”，故竖直方向上做匀加速直线运动。
(2)假设a点为抛出点，则竖直方向初速度为零，物体在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动，a、b、c、d相邻两点间的时间间隔相等，竖直位移之比应为1∶3∶5，而题图中位移比为1∶2∶3，所以a点不是抛出点。