5.3实验：探究平抛运动的特点－2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册学案（word含答案）

第3节　实验：探究平抛运动的特点
【学习目标】
1．知道抛体运动和平抛运动，知道用运动分解的方法研究平抛运动。
2．知道平抛运动的条件及相应控制方法，会用获得位置的方法确定多个点，并会描绘平抛运动的轨迹。
3．会根据平抛运动的轨迹，研究平抛运动水平和竖直分运动的特点。
4．通过探究平抛运动特点的实验，了解科学探究中获取及处理数据的方法。
【问题导入】
以一定的速度将物体抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，物体只受重力的作用，这时的运动叫作抛体运动。如果初速度是沿水平方向的，这样的抛体运动就叫作平抛运动。下面我们通过实验来探究物体做平抛运动的特点。在实验开始前，请思考以下问题：
(1)平抛运动的轨迹是曲线，我们应当用什么方法来研究曲线运动？
(2)平抛运动应分解为哪两个方向的运动？为什么？
(3)根据两个方向的受力与运动情况，你认为平抛运动在两个方向上的分运动应是什么运动？
(4)分析物体运动的特点，就是研究物体的速度和位移随时间的变化关系。位移和速度哪个物理量更方便测量？如何通过实验获得所需信息？
【学习过程】
一、实验思路
平抛运动的轨迹是曲线，速度和位移的方向都在时刻变化，比直线运动复杂。我们可以按照把复杂的曲线运动分解为两个相对简单的直线运动的思路。由于物体是沿水平方向抛出的，在运动过程中只受到竖直向下的重力作用，因此我们可以尝试将平抛运动分解成水平方向的分运动和竖直方向的分运动。如果这两个分运动研究清楚了，平抛运动的规律自然就清楚了。
二、进行实验
(一)对比法研究平抛运动特点
1．探究平抛运动竖直方向分运动的特点
在如图所示的实验中，用小锤击打弹性金属片后，A 球沿水平方向抛出，做平抛运动，同时 B 球被释放，自由下落，做自由落体运动。A、B 两球同时开始运动。观察两球的运动轨迹，比较它们落地时间的先后。分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，多次重复这个实验，记录实验现象。
分析：A 球做平抛运动，B做自由落体运动，经多次实验，两球同时释放并能观察到两球同时落地。可对比确定平抛运动竖直方向的分运动为自由落体运动。
2．探究平抛运动水平方向分运动的特点
如图所示，两相同小球分别从A、B处同时滚下，一球做平抛运动，另一球沿光滑的水平轨道运动。改变小球下滑时的高度，观察球是否始终能够相碰。
分析：经多次实验，两球在同一高度同时释放并能观察到两球发生碰撞，因而可以确定两小球在水平方向的运动是相同的，即平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动。
(二)轨迹发研究平抛运动特点
参考案例1
通过用频闪照相或者录制视频的方法，可以记录物体在不同时刻的位置。如图所示。

以小球球心作为小球位置，分别将不同位置的小球球心投影到水平方向和竖直方向的坐标轴上。考虑到频闪(截屏）时间间隔相等，根据相邻时间间隔内水平方向的位移相同，可判断水平方向是匀速运动；根据相邻时间间隔内竖直方向增加的位移相同，可判断竖直方向是匀加速运动。
参考案例2
首先研究某一方向分运动的特点(可以是水平方向，也可以是竖直方向），然后设法描绘出平抛运动的轨迹，最后根据平抛运动轨迹和某一方向分运动特点分得到另一方向分运动的特点。
1．实验过程
步骤 1：探究平抛运动竖直分运动的特点
可参考对比法中探究平抛运动竖直方向分运动的特点的方法。
步骤 2：探究平抛运动水平方向分运动的特点
(1)描绘平抛运动轨迹：在如图所示的装置中，斜槽 M 末端水平。钢球在斜槽中从某一高度滚下，从末端飞出后做平抛运动。在装置中有一个水平放置的可上下调节的倾斜挡板 N，钢球飞出后，落到挡板上。实验前，先将一张白纸和复写纸固定在装置的背板上。钢球落到倾斜的挡板上后，就会挤压复写纸，在白纸上留下印迹。上下调节挡板N，通过多次实验，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。最后，用平滑曲线把这些印迹连接起来，就得到钢球做平抛运动的轨迹。
(2)验证水平方向运动特点：根据步骤 1 得出的平抛运动在竖直方向分速度随时间变化的规律，设法确定“相等的时间间隔”。再看相等的时间内水平分运动的位移，进而确定水平分运动的规律。
2．问题探究
(1)对于从斜槽上滚出的小球，如何保证小球水平抛出？
(2)用什么方法记录小球的位置？
(3)能否同时记录小球在不同时刻的位置？如果需要多次实验才能记录多个时刻的位置，如何确保运动的同一性？
(4)所记录的多个小球位置之间的时间间隔相等吗？为了获取相同时间间隔的点，有什么办法？
(5)为了定量研究需要建立坐标系，坐标原点在哪里？坐标轴如何确定？
(6)如何画出轨迹？如何在轨迹上确定时间间隔相等的点？
(7)如图所示，这些点之间的水平位移存在什么特点？说明了水平方向的运动是什么运动？能写出水平方向的速度与位移的表达式吗？
(8)如果实验的结果与你的推论之间有一些差异，原因可能有哪些？
3．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(检验是否水平的方法是：将小球放在斜槽末端水平部分，看小球能否静止，若小球静止，则斜槽末端水平)。
(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：小球每次必须从斜槽上同一位置由静止滚下，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。
【考点研析】
[例1](1)(多选）在做“研究平抛运动”实验时，除了木板、小球、斜槽、铅笔、图钉之外，下列器材中还需要的有________．
A．游标卡尺　B．秒表　C．坐标纸　D．天平　E．弹簧测力计　F．重垂线
(2)(多选)实验中，下列说法正确的是________．
A．应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滑下
B．斜槽轨道必须光滑
C．要使描出的轨迹更好地反映真实运动，记录的点应适当多一些
D．斜槽轨道末端可以不水平
(3)(多选)引起实验结果偏差较大的原因可能是____________．
A．安装斜槽时，斜槽末端切线方向不水平
B．确定Oy轴时，没有用重垂线
C．斜槽不是绝对光滑的，有一定摩擦
D．空气阻力对小球运动有较大影响
[答案]　(1)C、F　(2)AC　(3)ABD

【巩固训练】
1. 某同学设计了一个探究平抛运动特点的家庭实验装置，如图所示。在水平桌面上放置一个斜面，每次都让钢球从斜面上的同一位置滚下，滚过桌边后钢球便做平抛运动。在钢球抛出后经过的地方水平放置一块木板(还有一个用来调节木板高度的支架，图中未画），木板上放一张白纸，白纸上有复写纸，这样便能记录钢球在白纸上的落点。已知平抛运动在竖直方向上的运动规律与自由落体运动相同，在此前提下，怎样探究钢球水平分速度的特点？请指出需要的器材，说明实验步骤。


2. 某同学为了省去图中的水平木板，把第1 题中的实验方案作了改变。他把桌子搬到墙的附近，把白纸和复写纸附在墙上，使从水平桌面上滚下的钢球能打在墙上，从而记录钢球的落点。改变桌子和墙的距离，就可以得到多组数据。如果采用这种方案，应该收集哪些数据并如何处理这些数据？

3. 某同学目测桌子高度大约为0.8 m，他使小球沿桌面水平飞出，用数码相机拍摄小球做平抛运动的录像(每秒25 帧）。如果这位同学采用逐帧分析的办法，保存并打印各帧的画面。他大约可以得到几帧小球正在空中运动的照片？


4. 小刚同学通过实验，得到了某物体在Oxy 平面上运动的一条运动轨迹，如图平面直角坐标系中的OP 曲线所示。他根据物体运动轨迹的特点作出了猜想：如果物体在y方向做匀速直线运动，那么物体在x 方向必定做匀加速直线运动。小刚同学的猜想是否成立？作图并给出你的分析过程。



【答案】
1.还需要的器材是刻度尺，实验的示意图如图所示。
实验步骤如下。
(1)调节木板高度，使木板上表面与水平桌面的距离为某一确定值y.
(2)让钢球从斜面上某一位置无初速释放。
(3)测量钢球在木板上的落点P1与重垂线之间的距离x1.
(4)调节木板高度，使木板上表面与水平桌面的距离为某一确定值4y.
(5)让钢球从斜面上同一位置无初速释放。
(6)测量钢球在木板上的落点P2与重垂线之间的距离x2。
(7)比较x1、x2,若2x1=x2,则说明钢球在水平方向做匀速直线运动。

2.改变墙与重垂线之间的距离x,测量落点与抛出点之间的竖直距离y,若x2=2x1,有y2=4y1,则说明钢球在水平方向做匀速直线运动。
3.可得到10帧照片。
4.猜想成立。如图所示，在OP图线上取四点A、B、C、D、且yD-yC=yC-yB=yA,测出A、B、C、D四点在x轴上的坐标xA、xB、xC、xD,若有(xD-xC)-( xC - xB)=( xC - xB)-(xB-xA),则可判断物体在y方向做匀速直线运动，在x方向做匀加速直线运动。