第3節(jié)　科學(xué)探究：平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

科學(xué)探究：平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

(實(shí)驗(yàn)課—基于經(jīng)典科學(xué)探究)第3節(jié)一、實(shí)驗(yàn)裝置二、實(shí)驗(yàn)原理將斜槽等器材安裝起來，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。小球從斜槽上滾下，通過水平槽飛出后做平拋運(yùn)動(dòng)。使小球每次都從斜槽上同一位置由靜止釋放，小球在空中做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡相同。設(shè)法用鉛筆描出小球經(jīng)過的位置。通過多次實(shí)驗(yàn)，在坐標(biāo)紙上記錄小球所經(jīng)過的多個(gè)位置，用平滑的曲線將各點(diǎn)連起來，從而得到小球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的公式x＝v0t和y＝

gt2，可求出小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度。一、實(shí)驗(yàn)步驟1．用圖釘把坐標(biāo)紙釘在豎直木板上，在木板的左上角固定斜槽，并使其末端保持水平。2．用懸掛在槽口的鉛垂線把木板調(diào)整到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直面平行且靠近，固定好木板。3．把小球放在槽口處，用鉛筆記下小球在槽口時(shí)球心在木板上的水平投影點(diǎn)O，再利用鉛垂線在紙上畫出通過O點(diǎn)的豎直線。4．將小球從斜槽上合適的位置由靜止釋放，使小球的運(yùn)動(dòng)軌跡大致經(jīng)過坐標(biāo)紙的右下角。5．把筆尖放在小球可能經(jīng)過的位置，如果小球運(yùn)動(dòng)中碰到筆尖，用鉛筆在坐標(biāo)紙?jiān)撐恢卯嬌弦稽c(diǎn)。用同樣的方法，從同一位置釋放小球，在小球運(yùn)動(dòng)路線上描下若干點(diǎn)。二、數(shù)據(jù)處理1．根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，在坐標(biāo)紙上描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。2．在平拋運(yùn)動(dòng)軌跡上選取幾個(gè)水平間距相等的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)出并計(jì)算相應(yīng)物理量填入你設(shè)計(jì)的表格中。3．觀察描出的軌跡，與你熟悉的曲線進(jìn)行比較，猜想y與x的關(guān)系，作出y－x2圖像，驗(yàn)證你的猜想。4．結(jié)論：平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是拋物線的一部分。三、注意事項(xiàng)1．斜槽安裝：實(shí)驗(yàn)中必須調(diào)整斜槽使其末端的切線水平，將小球放在末端水平部分，若能使小球靜止，斜槽末端的切線就水平了。2．木板固定：木板必須處于豎直平面內(nèi)，要用鉛垂線檢查坐標(biāo)紙豎線是否豎直。3．小球釋放(1)小球必須每次從斜槽上同一位置滾下。(2)小球開始滾下的高度要適中，以使小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡由坐標(biāo)紙的左上角一直到達(dá)右下角為宜。4．坐標(biāo)原點(diǎn)：坐標(biāo)原點(diǎn)不是槽口的端點(diǎn)，而是小球出槽口時(shí)球心在木板上的投影點(diǎn)。5．初速度的計(jì)算：在軌跡上選取離坐標(biāo)原點(diǎn)O較遠(yuǎn)的一些點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算。1．在做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中，小球能從不同的高度釋放嗎？提示：不能，因?yàn)橹挥袕耐桓叨柔尫判∏虿拍鼙ＷC小球平拋的初速度不變。2．如何檢驗(yàn)斜槽末端是否水平？提示：將小球放在斜槽末端的任意位置均可靜止，就表明斜槽末端已調(diào)水平。[關(guān)鍵點(diǎn)反思]3．如果斜槽不光滑，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？提示：斜槽不光滑，小球到達(dá)斜槽末端的速度比斜槽光滑時(shí)小些，但是，只要每次均從同一高度由靜止?jié)L下，小球到達(dá)槽口的速度均相同，小球的軌跡重合，不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4．如何建立坐標(biāo)軸？如何確定坐標(biāo)原點(diǎn)？提示：y軸的確定可利用重垂線，再作y軸的垂線確定x軸；坐標(biāo)原點(diǎn)為槽口上方小球的球心在木板上的投影點(diǎn)?？挤?一)實(shí)驗(yàn)基本操作[例1]在利用斜槽軌道做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓鋼球多次沿同一軌道運(yùn)動(dòng)，通過描點(diǎn)法畫出鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。(1)除了木板、鋼球、斜槽、鉛筆、圖釘之外，下列器材中還需要的是_______。A．游標(biāo)卡尺 B．秒表C．坐標(biāo)紙

D．天平E．彈簧測(cè)力計(jì) F．鉛垂線(2)實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置反復(fù)調(diào)節(jié)，直到斜槽末端切線________。每次讓鋼球從同一位置由靜止釋放，是為了保證每次平拋________相同。(3)為了能較準(zhǔn)確地描繪運(yùn)動(dòng)軌跡，下面列出了一些操作要求，將你認(rèn)為正確的選項(xiàng)前面的字母填在橫線上________。A．鋼球運(yùn)動(dòng)時(shí)不能與背板上的白紙(或方格紙)相接觸B．用直尺將記錄的點(diǎn)連成折線C．用平滑的曲線將記錄的點(diǎn)連接起來D．記錄鋼球位置用的擋板每次必須嚴(yán)格地等距離下降[解析]

(1)實(shí)驗(yàn)中需要在坐標(biāo)紙上記錄小球的位置，描繪鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要利用鉛垂線確定坐標(biāo)軸的y軸，故C、F是需要的。(2)只有斜槽的末端保持切線水平，鋼球才具有水平初速度，其運(yùn)動(dòng)才是平拋運(yùn)動(dòng)；每次從同一位置由靜止釋放鋼球，是為了使鋼球具有相同的初速度。(3)如果鋼球在運(yùn)動(dòng)過程中與背板上的白紙相接觸就會(huì)改變它的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其不是平拋運(yùn)動(dòng)，故A正確；將描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接起來，故B錯(cuò)誤，C正確；應(yīng)用描點(diǎn)法得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡時(shí)，擋板下降的距離可以不是等間距的，故D錯(cuò)誤。[答案]

(1)CF

(2)水平初速度(3)AC[微點(diǎn)撥]實(shí)驗(yàn)操作的三點(diǎn)提醒(1)保證斜槽軌道末端切線水平。(2)保證鋼球每次從同一位置由靜止釋放。(3)實(shí)驗(yàn)過程中背板上的白紙不能移動(dòng)，且鋼球在運(yùn)動(dòng)過程中與背板上的白紙不能接觸。考法(二)數(shù)據(jù)處理和誤差分析[例2]

(2023·河南駐馬店調(diào)研)圖甲是“研究平拋運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(1)實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置反復(fù)調(diào)節(jié)，直到斜槽末端切線________。每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了保證每次平拋________。(2)圖乙是實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，其中O為拋出點(diǎn)，則此小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為________m/s。(g取9.8m/s2)(3)在另一次實(shí)驗(yàn)中將白紙換成方格紙，每小格的邊長(zhǎng)L＝5cm，通過實(shí)驗(yàn)記錄了小球在運(yùn)動(dòng)過程中的三個(gè)位置，如圖丙所示，則該小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為________m/s，B點(diǎn)的豎直分速度為________m/s。(g取10m/s2)[解析]

(1)為了保證小球的初速度水平，斜槽末端切線應(yīng)水平，每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了保證每次平拋的初速度相同。(2)分析題圖乙，O點(diǎn)為拋出點(diǎn)，取坐標(biāo)點(diǎn)：x＝32.0cm＝0.320m，y＝19.6cm＝0.196m，[答案]

(1)水平初速度相同(2)1.6(3)1.5

2[微點(diǎn)撥]數(shù)據(jù)處理的三點(diǎn)提醒(1)小球拋出點(diǎn)的位置必須記錄準(zhǔn)確，并且將該位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)。(2)豎直線(y軸方向)要用鉛垂線來確定。(3)選取研究的點(diǎn)時(shí)保證各點(diǎn)之間的水平距離相等。考法(三)源于經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新考查[例3]

如圖所示，“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)裝置放置在水平桌面上，利用光電門傳感器和碰撞傳感器可測(cè)得鋼球的水平初速度和飛行時(shí)間，底板上的標(biāo)尺可以測(cè)得水平位移。保持水平槽口距底板高度h＝0.420m不變。改變鋼球在斜槽導(dǎo)軌上下滑的起始位置，測(cè)出鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0、飛行時(shí)間t和水平位移d，記錄在表中。(1)由表中數(shù)據(jù)可知，在h一定時(shí)，鋼球水平位移d與其初速度v0成________關(guān)系，與________無關(guān)。v0/(m·s－1)0.7411.0341.3181.584t/ms292.7293.0292.8292.9d/cm21.730.338.646.4(3)另一位同學(xué)分析并糾正了上述偏差后，另做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，竟發(fā)現(xiàn)測(cè)量值t′依然大于自己得到的理論值t理′，但二者之差在3～7ms之間，且初速度越大，差值越小。對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的安裝進(jìn)行檢查，確認(rèn)斜槽槽口與底座均水平，則導(dǎo)致偏差的原因是___________________。[解析]

(1)由題表中數(shù)據(jù)可知，h一定時(shí)，鋼球的水平位移d與初速度v0成正比關(guān)系，與時(shí)間t無關(guān)。(2)該同學(xué)計(jì)算時(shí)重力加速度取的是10m/s2，一般情況下應(yīng)取9.8m/s2，從而導(dǎo)致約3ms的偏差。(3)鋼球直徑過大、鋼球飛過光電門需要時(shí)間或光電門傳感器置于槽口的內(nèi)側(cè)，使測(cè)量值大于理論值。[答案]

(1)正比飛行時(shí)間t

(2)計(jì)算時(shí)重力加速度取值(10m/s2)大于實(shí)際值(3)見解析[創(chuàng)新分析](1)利用光電門傳感器和碰撞傳感器可測(cè)得小球的水平初速度和飛行時(shí)間。(2)理論值與測(cè)量值存在差值的探究。[例4]

在做“研究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)中，為了確定小球不同時(shí)刻在空中所通過的位置，實(shí)驗(yàn)時(shí)用了如圖所示的裝置。先將斜槽軌道的末端調(diào)整水平，在一塊平整的木板表面釘上白紙和復(fù)寫紙，將該木板豎直立于水平地面上，使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞到木板并在白紙上留下痕跡A；將木板向遠(yuǎn)離槽口方向平移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，小球撞在木板上得到痕跡B；將木板再向遠(yuǎn)離槽口方向平移距離x，小球再?gòu)男辈凵暇o靠擋板處由靜止釋放，再得到痕跡C。若測(cè)得木板每次移動(dòng)距離x＝20.0cm，A、B間距離y1＝18.0cm，B、C間距離y2＝28.0cm，回答以下問題(g取10m/s2)。(1)每次都要使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放，是為了保證小球每次做平拋運(yùn)動(dòng)的________相同。(2)小球下落y1、y2所用的時(shí)間________(選填“相等”或“不相等”)。(3)小球平拋初速度的值為v0＝________m/s。[解析]

(1)該實(shí)驗(yàn)中，為了確保小球每次拋出的軌跡相同，應(yīng)該使拋出時(shí)的初速度相同，即每次都應(yīng)使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放。(2)將木板再向遠(yuǎn)離槽口方向平移距離x，每次都相等，水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故小球下落y1、y2所用的時(shí)間相等。(3)在豎直方向上：Δy＝y(tǒng)2－y1＝gt2，水平方向上：x＝v0t，兩式聯(lián)立代入數(shù)據(jù)解得：v0＝2m/s。[答案]

(1)初速度(2)相等(3)21．(2023·廣東1月學(xué)考)(多選)如圖是“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)裝置，橫擋板在不同高度卡住平拋運(yùn)動(dòng)的小球來確定小球運(yùn)動(dòng)的軌跡，下列操作正確的有(

)A．保持斜槽末端切線水平B．調(diào)整硬木板使其與小球下落的豎直面平行C．測(cè)量同一條軌跡時(shí)，小球每次可以從不同高度靜止釋放D．用折線連接描繪的點(diǎn)得到小球的運(yùn)動(dòng)軌跡答案：AB

解析：小球離開斜槽后做平拋運(yùn)動(dòng)，必須調(diào)整斜槽使其末端切線水平，故A正確；實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)調(diào)整硬木板使其保持豎直，即與小球下落的豎直面平行，故B正確；測(cè)量同一條軌跡時(shí)，為使小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度相等，每次必須從斜槽上同一位置由靜止釋放小球，故C錯(cuò)誤；用光滑曲線連接描繪的點(diǎn)，得到小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，故D錯(cuò)誤。2．頻閃攝影是研究變速運(yùn)動(dòng)常用的實(shí)驗(yàn)手段。在暗室中，照相機(jī)的快門處于常開狀態(tài)，頻閃儀每隔一定時(shí)間發(fā)出一次短暫的強(qiáng)烈閃光，照亮運(yùn)動(dòng)的物體，于是膠片上記錄了物體在幾個(gè)閃光時(shí)刻的位置。某物理實(shí)驗(yàn)小組利用如圖甲所示裝置探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他們分別在該裝置正上方A處和右側(cè)正前方B處安裝了頻閃儀器并進(jìn)行了拍攝，得到的頻閃照片如圖乙所示，O為拋出點(diǎn)，P為運(yùn)動(dòng)軌跡上某點(diǎn)。根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析下列問題。(1)圖乙中，頻閃儀器A所拍攝的頻閃照片為______[選填“(a)”或“(b)”]。(2)乙圖中頻閃照片(b)可以說明_______________________________________________________________________________。解析：(1)小球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)，故頻閃儀器A所拍攝的頻閃照片為(b)。(2)題圖乙中頻閃照片(b)可以說明小球在水平方向上的分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)。答案：(1)(b)

(2)見解析3．某同學(xué)用如圖(a)所示的裝置比較平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)如下：(1)小錘打擊彈性金屬片后，A球水平拋出，同時(shí)B球被松開，自由下落，觀察到A、B兩球同時(shí)落地。關(guān)于該實(shí)驗(yàn)及分析判斷，下列說法正確的是________。A．兩球的質(zhì)量應(yīng)相等B．改變擊球點(diǎn)離地高度，觀察到A、B兩球也同時(shí)落地C．說明做平拋運(yùn)動(dòng)的A球與做自由落體運(yùn)動(dòng)的B球運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等D．說明做平拋運(yùn)動(dòng)的A球在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)(2)該同學(xué)使用頻閃照相機(jī)對(duì)A、B球進(jìn)行頻閃照相，拍攝時(shí)使照相機(jī)十字準(zhǔn)心分別與豎直方向和水平方向?qū)R，即照片長(zhǎng)邊框平行于豎直方向，短邊框平行于水平方向，某次照片局部如圖(b)所示，A、B兩球的像始終在同一水平線上，說明A球在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)。用刻度尺對(duì)x1和x2進(jìn)行測(cè)量，若在誤差范圍之內(nèi)發(fā)現(xiàn)x1______x2(填“＞”“＝”或“＜”)，即說明A球在水平方向上做勻速運(yùn)動(dòng)。(3)圖(b)是按與實(shí)際環(huán)境1∶1比例沖洗的照片，已知照相機(jī)頻閃周期為T，用刻度尺測(cè)得x1、x2和h1、h2，則小球平拋初速度大小是________，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮∈莀_______。解析：(1)根據(jù)裝置圖(a)可知，兩球由相同高度同時(shí)運(yùn)動(dòng)，A做平拋運(yùn)動(dòng)，B做自由落體運(yùn)動(dòng)，由于兩球同時(shí)落地，因此說明A、B在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的，改變擊球點(diǎn)離地高度，多次實(shí)驗(yàn)也能觀察到A、B兩球同時(shí)落地。故根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推知，平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)，該實(shí)驗(yàn)不需要兩球質(zhì)量相等，故選B、C、D。(2)頻閃照相機(jī)曝光時(shí)間相同，用刻度尺對(duì)x1和x2進(jìn)行測(cè)量，若在誤差范圍之內(nèi)發(fā)現(xiàn)x1＝x2，則說明A球在水平方向上做勻速運(yùn)動(dòng)。4．(2023·浙江6月選考，節(jié)選)在“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中(1)用圖1裝置進(jìn)行探究，下列說法正確的是______。A．只能探究平拋運(yùn)動(dòng)水平分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)B．需改變小錘擊打的力度，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)C．能同時(shí)探究平拋運(yùn)動(dòng)水平、豎直分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(2)用圖2裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是______。A．斜槽軌道M必須光滑且其末端水平B．上下調(diào)節(jié)擋板N時(shí)必須每次等間距移動(dòng)C．小鋼球從斜槽M上同一位置靜止?jié)L下(3)用圖3裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，豎直擋板上附有復(fù)寫紙和白紙，可以記下鋼球撞擊擋板時(shí)的點(diǎn)跡。實(shí)驗(yàn)時(shí)豎直擋板初始位置緊靠斜槽末端，鋼球從斜槽上P點(diǎn)靜止?jié)L下，撞擊擋板留下點(diǎn)跡0，將擋板依次水平向右移動(dòng)x，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，擋板上留下點(diǎn)跡1、2、3、4。以點(diǎn)跡0為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向下建立坐標(biāo)軸y，各點(diǎn)跡坐標(biāo)值分別為y1、y2、y3、y4。測(cè)得鋼球直徑為d，則鋼球平拋初速度v0為______。解析：(1)用如題圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，只能探究平拋運(yùn)動(dòng)豎直分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，故A、C錯(cuò)誤；在實(shí)驗(yàn)過程中，需要改變小錘擊打的力度，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，故B正確。(2)為了保證小球做平拋運(yùn)動(dòng)，需要斜槽末端水平，為了保證小球拋出時(shí)速度相