课件48张PPT。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=2.5 cm,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=0.05 s。
小球初速度为:
v0= m/s=1 m/s;
B位置竖直方向速度为:vy= m/s=0.75 m/s;
则B点的速度为:
vB= m/s=1.25 m/s。
答案:(1)A (2)切线水平 同一位置 0.05 1 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】温馨提示：
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课堂检测·素养达标
1.(多选)在做“研究平抛物体的运动”这一实验时,下面哪些说法是正确的
( )
A.安装弧形槽时,必须使槽的末端的切线方向保持水平
B.进行实验时,每次都要让小球从同一位置由静止释放
C.小球与弧形槽不可避免的摩擦,会影响实验结果
D.为了得到实验结果,不要忘记用天平称出小球的质量
【解析】选A、B。为了保证小球的初速度水平,安装弧形槽时,必须使槽的末端的切线方向保持水平,故A正确;为了保证小球的初速度大小相等,每次进行实验,都要让小球从斜槽的同一位置由静止释放,斜槽是否光滑不影响实验,故B正确,C错误;该实验不需要测量小球的质量,故D错误。
2.如图为用频闪摄影方法拍摄的小球做平抛运动的照片,小球在运动过程中的几个位置如图中的a、b、c、d所示。下列说法正确的是 ( )
A.若已知小方格的边长,可求得平抛的初速度
B.若已知小方格的边长,可求得频闪周期
C.若已知小方格的边长和当地的重力加速度,可求得a、b、c、d任一点的速度
D.若已知小方格的边长和频闪周期,不可以求得当地的重力加速度
【解析】选C。竖直方向上相等时间的位移之差Δy=L,根据Δy=gT2得,相等的时间间隔T=,而水平方向v0=,因此知道小方格的边长与当地的重力加速度,即可求解初速度大小;再根据=,求得中间时刻竖直方向的速度,最后由速度的合成,即可求解该点的瞬时速度,从而利用速度与时间关系,求得其他点的速度。已知小方格的边长,可求得Δy,已知频闪周期可知道T,由Δy=gT2可求得重力加速度。故C正确,A、B、D错误;故选C。
3.(多选)某同学在做“研究平抛物体的运动”的实验,关于这个实验,以下说法正确的是 ( )
A.小球释放的初始位置越高越好
B.每次小球要从同一高度由静止释放
C.实验前要用重垂线检查坐标纸上的竖线是否竖直
D.小球的平抛运动要靠近但不接触木板
【解析】选B、C、D。为了保证每次小球平抛的轨迹相同,抛出速度相同,每次小球必须从同一高度由静止释放,故A错误,B正确;因为平抛运动在竖直方向上是自由落体运动,小球运动轨迹在一个竖直面上,所以坐标纸必须用重垂线检查是否竖直,故C正确;小球的平抛运动靠近木板,但不能接触,如果接触,会受到摩擦力作用,使运动不再是平抛运动,故D正确。
4.(多选)“研究平抛物体的运动”实验的装置如图所示,在实验前应 ( )
A.将斜槽的末端切线调成水平
B.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
C.小球每次必须从斜槽上同一位置由静止开始释放
D.在白纸上记录斜槽末端槽口的位置O,作为小球做平抛运动的起点和所建坐标系的原点
【解析】选A、B、C。实验中必须保证小球做平抛运动,斜槽的末端需水平,故A正确;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,故B正确;由于要记录小球的运动轨迹,必须重复多次,才能画出几个点,因此为了保证每次平抛的轨迹相同,所以要求小球每次从同一高度由静止释放,故C正确;在白纸上记录斜槽末端槽口的位置O,不能作为小球做平抛运动的起点,应该以小球在末端时,球心在竖直面上的投影作为起点和所建立坐标系的原点,故D错误。
5.(1)如图所示,在研究物体做平抛运动时,让小球A沿曲面轨道滚下,离开轨道末端时(末端水平,小球A离开轨道时和小球B在同一高度),撞开接触式开关S(开关对小球的作用力可忽略不计),被电磁铁吸住的小球B同时自由下落。多次改变整个装置的高度H重复上述实验,发现A、B两球总是同时落地。该实验现象说明了A球在离开轨道后____________。?
A.水平方向的分运动是匀速直线运动
B.水平方向的分运动是匀加速直线运动
C.竖直方向的分运动是匀速直线运动
D.竖直方向的分运动是自由落体运动
(2)“嫦娥四号”探月卫星的成功发射,标志着我国航天又迈上了一个新台阶。假设我国宇航员乘坐探月卫星登上月球,如图所示是宇航员在月球表面水平抛出小球的闪光照片的一部分。已知照片上方格的实际边长为a,闪光周期为T,据此可以得出____________。?
A.月球上的重力加速度为
B.照片上A点一定是平抛的起始位置
C.小球运动到D点时速度大小为
D.小球平抛的初速度为
【解析】(1)A球与B球总是同时落地,说明A球竖直方向的分运动与B球的运动相同,B球做的是自由落体运动,所以A球竖直方向的分运动是自由落体运动。
(2)应用平抛运动的规律可知,在竖直方向有:Δh=gT2,其中:Δh=2a,代入可得:g=,故A错误;根据匀变速直线运动的规律得B点竖直分速度为:vBy=,由速度公式:vBy=vAy+,可得:vAy=0,所以照片上A点一定是平抛的起始位置,故B正确;小球运动到D点的竖直分速度为:vDy=g·3T=·3T=,所以小球运动到D点时速度大小为:v0==,故C错误;水平方向由:x=3a=v0T,可得初速度为:v0=,故D正确。
答案:(1)D (2)B、D
6.三个同学根据不同的实验条件,进行了“探究平抛运动规律”的实验:
(1)甲同学采用如图(1)所示的装置,金属片把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(2)所示的装置,两个相同的弧形轨道M、N,两小铁球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道下端水平射出。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______________________________________。?
(3)丙同学采用频闪摄影的方法拍摄到如图(3)所示的“小球做平抛运动”的照片。图中每个小方格的边长为 10 cm,则由图可求得拍摄时每____________s曝光一次,该小球平抛的初速度大小为____________m/s,经过 b点时速度大小为____________m/s。(g取10 m/s2)?
【解析】(1)在打击金属片时,金属片把A球沿水平方向弹出,做平抛运动,同时B球被松开,做自由落体运动,两小球同时落地,说明A球与B球在竖直方向的运动规律相同,即:说明平抛运动竖直方向是自由落体运动。
(2)两小铁球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道下端水平射出,小铁球P做平抛运动,小铁球Q在水平方向做匀速直线运动,可以看到:P球落地时刚好和Q球相遇;当同时改变两小球滚下的高度时,仍能相碰,这说明:初速度相同时,平抛运动在水平方向的运动规律与匀速直线运动规律相同,即:说明平抛运动在水平方向做匀速直线运动。
(3)平抛运动可分解为:
竖直方向自由落体运动与水平方向匀速直线运动;
在竖直方向上:由Δh=gt2
可得:t=== s=0.1 s;
小球的初速度:
v0== m/s=2 m/s;
在竖直方向上:
vyb== m/s=1.5 m/s
小球经过b点时的速度大小:
vb== m/s=2.5 m/s;
答案:(1)平抛运动在竖直方向为自由落体运动
(2)P球落地时刚好和Q球相遇
平抛运动在水平方向为匀速直线运动
(3)0.1 2 2.5
【补偿训练】
如图所示为一小球做平抛运动的频闪照相照片的一部分,A、B、C三点是连续相等时间间隔拍摄的,图中背景方格的边长均为5 cm,如果取g=10 m/s2,那么:
(1)照相机的闪光频率是____________Hz;?
(2)小球运动中水平分速度的大小是____________m/s;?
(3)小球经过B点时的竖直分速度大小是____________m/s。?
【解析】(1)在竖直方向上,
根据Δy=2L=gT2得相等的时间间隔:
T== s=0.1 s,
则闪光的频率:
f== Hz=10 Hz
(2)小球运动的水平分速度:
vx== m/s=1.5 m/s
(3)B点的竖直分速度:
vBy== m/s=2 m/s
答案:(1)10 (2)1.5 (3)2
7.在做“研究平抛运动”的实验中,为了确定小球不同时刻在空中所通过的位置,实验时用了如图所示的装置。
先将斜槽轨道的末端调整水平,在一块平整的木板表面钉上白纸和复写纸。将该木板竖直立于水平地面上,使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放,小球撞到木板并在白纸上留下痕迹A;将木板向远离槽口的方向平移距离x,再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放,小球撞在木板上得到痕迹B;将木板再向远离槽口的方向平移距离x,小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止释放,再得到痕迹C,若测得木板每次移动距离x=10.00 cm,A、B间距离y1=5.02 cm,B、C间距离y2=14.82 cm。请回答以下问题(g=9.80 m/s2)。
(1)根据以上直接测量的物理量来求得小球初速度的表达式为v0=__________________;(用题中所给字母表示)?
(2)小球初速度的值为v0=____________m/s;?
(3)A点到C点所用时间为____________s。?
【解析】(1)平抛运动在竖直方向上为自由落体运动,
由判别式有:Δy=y2-y1=gt2;
水平方向上有:x=v0t
联立方程解得:v0=x
(2)根据v0=x,
代入数据解得:
v0=0.1× m/s=1.00 m/s。
(3)平抛运动的水平方向为匀速直线运动,
可得tAC== s=0.20 s。
答案:(1)x (2)1.00 (3)0.20
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