高考物理必修知識點知識講解 實驗：研究平拋運動

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1、 實驗：研究平拋運動 編稿：周軍 審稿：吳楠楠 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1. 用實驗與理論進(jìn)行探究、分析，認(rèn)識平拋運動的規(guī)律； 2. 用實驗方法描出平拋物體的運動軌跡； 3. 根據(jù)平拋運動的軌跡確定平拋物體的初速度； 4. 理解實驗探究的意義，學(xué)會構(gòu)思實驗方案，組織實驗器材，完成實驗探究或者是驗證，并會分析實驗現(xiàn)象獲得實驗結(jié)論。 【要點梳理】 要點一、探究平拋運動規(guī)律的思路 1.物體做平拋運動的條件是物體只受重力作用，且具有水平的初速度，即恒定的重力與初速度方向垂直，平拋運動是曲線運動。 因為平拋運動的物體在水平方向不受力的作用，在豎直方向上只受到恒定的重力作用。因此可將

2、平拋運動分解為水平方向和豎直方向的兩個直線運動。 2.分析在這兩個方向上物體的受力情況，結(jié)合初始條件，運用牛頓第二定律推測在這兩個方向上物體分別做什么運動。 如：在水平方向上物體不受力，應(yīng)該以平拋的初速度做勻速直線運動；在豎直方向物體只受重力，且初速度為零，應(yīng)該做自由落體運動。 3.設(shè)計實驗，分別驗證物體在這兩個方向上的運動是否和猜想一致。 要點二、探究平拋運動規(guī)律的實驗方法 實驗方法即應(yīng)該怎樣驗證物體在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做自由落體運動，現(xiàn)介紹兩種方法——對比實驗法和描跡論證法。 一、對比實驗法 對比實驗法即將平拋運動和自由落體同時進(jìn)行，對比試驗；將平拋運動和

3、水平方向上的勻速運動對比試驗。 （1）創(chuàng)設(shè)一個情景，讓物體做平拋運動的同時，另一個物體以相同的初速度在水平面上做勻速直線運動，并且使兩個物體運動的初始位置在同一豎直線上。 若兩個物體在運動過程始終在同一條豎直線上，或者平拋運動的物體恰好和勻速直線運動的物體相遇，便可以說明平拋運動的物體在水平方向的運動和勻速直線運動一樣，是勻速直線運動，否則便不是。 （2）創(chuàng)設(shè)一個情景，讓物體做平拋運動的同時，另一個物體從同一位置做自由落體運動。 若兩個物體在運動過程始終在同一條水平線上，或者平拋運動的物體恰好和自由落體運動的物體同時落地，便可以說明平拋運動的物體在豎直方向的運動和自由落體運動一樣，是自

4、由落體運動，否則便不是。 二、描跡探究法 因為物體在不同方向上的分運動具有同時性，只要研究物體在兩個方向上的位移關(guān)系——弄清物體的運動軌跡，適當(dāng)?shù)囊M(jìn)時間參數(shù)，便可以由一個方向的運動推知另一個方向的運動。 （1）描出平拋物體運動的軌跡 （2）研究水平運動和豎直運動的相互關(guān)系，印證猜想是否正確。 要點三、根據(jù)平拋運動的軌跡確定平拋物體的初速度 1.實驗原理 平拋物體的運動，可以看作水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合運動，因而物體在任意時刻t的坐標(biāo)x和y可以用下列公式求出： x=v0t ① ② 從①和②消去t，

5、得 因此平拋物體的運動軌跡為一拋物線。 平拋物體運動軌跡上任一點的位置均可用水平位移x和豎直位移y來確定。反過來，已知平拋運動的軌跡，我們就可以求得軌跡上任一點的水平位移x和豎直位移y，再根據(jù)公式求出平拋物體的飛行時間，繼而利用公式x=v0t求出物體做平拋運動的初速度。 2.實驗操作 （1）安裝調(diào)整斜槽：用圖釘把白紙釘在豎直板上，在木板的左上角固定斜槽，可用平衡法調(diào)整斜槽，即將小球輕放在斜槽平直部分的末端處，能使小球在平直軌道上的任意位置靜止，就表明水平已調(diào)好。 （2）調(diào)整木板：用懸掛在槽口的重錘線把木板調(diào)整到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直面平行。然后把重錘線方向記錄到釘在

6、木板的白紙上，固定木板，使在重復(fù)實驗的過程中，木板與斜槽的相對位置保持不變。 （3）確定坐標(biāo)系：把小球放在槽口處，用鉛筆記下球在槽口時球心在圖板上的水平投影點O，O點即為坐標(biāo)原點(O點不是槽口的端點)。用鉛筆記錄在白紙上。用重錘線確定Y軸。 （4）描繪運動軌跡：在木板的平面上用手按住卡片，使卡片上有孔的一面保持水平，調(diào)整卡片的位置，使從槽上滾下的小球正好穿過卡片的孔，而不擦碰孔的邊緣，然后用鉛筆在卡片的缺口上點個黑點，這就在白紙上記下了小球穿過孔時球心所對應(yīng)的位置。 保證小球每次從斜槽上一固定位置無初速釋放，用同樣的方法，可找出小球平拋軌跡上的一系列位置。取下白紙用平滑的曲線把這些位置連

7、接起來即得小球做平拋運動的軌跡。 （5）計算初速度，如圖所示，以O(shè)點為原點畫出豎直向下的y軸和水平向右的x軸，并在曲線上選取A、B、C、D、E、F六個不同的點，用刻度尺和三角板測出它們的坐標(biāo)x和y，用公式x=v0t和計算出小球的初速度v0，最后計算出v0的平均值。 位置 x值/cm y值/cm v0 v0的平均值 A 　 　 　 　 B 　 　 　 C 　 　 　 D 　 　 　 E 　 　 　 F 　 　 　 3.注意事項 （1）實驗中必須保持通過斜槽末端點的切線水平，方木板必須處在豎直面內(nèi)且與小球運動軌跡所在的豎直平面平

8、行，并使小球的運動靠近圖板但不接觸。 （2）小球必須每次從斜槽上同一位置滾下，即在斜槽上固定一個擋板（不要用手放）。 （3）坐標(biāo)原點（小球做平拋運動的起點）不是槽口的端點，應(yīng)是小球在槽口時，球的球心在木板上的水平投影點，即端點上r（小球半徑）處。 （4）要在斜軌上適當(dāng)?shù)母叨柔尫判∏?，使它以適當(dāng)?shù)乃匠跛俣葤伋觯滠壍烙蓤D板左上角到達(dá)右下角，這樣可以減小測量誤差。 （5）要在平拋軌道上選取距O點遠(yuǎn)些的點來計算球的初速度，這樣可使結(jié)果的誤差較小。 【典型例題】 類型一、對實驗操作的考察 例1、 (2015 廣州校級期中)關(guān)于打點計時器的使用說法正確的是（ ） A．電磁打

9、點計時器使用的是10V以下的直流電源 B．在測量物體速度時，先讓物體運動，后接通打點計時器的電源 C．使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越短 D．紙帶上打的點越密，說明物體運動得越慢 【答案】CD 【解析】A、電磁打點計時器使用的是6V以下的交流電源，故A錯誤； B、實驗過程應(yīng)先接通電源后釋放紙帶，否則在紙帶上留下的點很少，不利于數(shù)據(jù)得處理和減小誤差，故B錯誤； C、打點的時間間隔取決于交流電壓的頻率，電源頻率越高，打點的時間間隔就越小，故C正確； D、紙帶上打的點越密，說明相等的時間間隔位移越小，即物體運動的越慢，故D正確。 【總結(jié)升華】對于基本實驗儀器不光要了解其

10、工作原理，還要從實踐上去了解它。 舉一反三 【高清課程：實驗：研究平拋運動 例3】 【變式1】在做“研究平拋運動”實驗中應(yīng)采取下列哪些措施可減小誤差 （　 ） A．斜槽軌道必須光滑 B．斜槽水平部分軌道必須水平 C．每次要平衡摩擦力 D．小球每次應(yīng)從斜槽上同一高度釋放 E. 在曲線上取作計算的點離原點O較遠(yuǎn) 【答案】BDE 【高清課程：實驗：研究平拋運動 例4】 【變式2】在做“研究平拋運動”的實驗時，讓小球多次沿同一軌道運動，通過描點法畫出小球做平拋運動的軌跡，為了能較準(zhǔn)確地描繪運動軌跡，下面列出

11、了一些操作要求，將你認(rèn)為正確的選項前面的字母填在橫線上：＿＿＿＿＿ A．通過調(diào)節(jié)使斜槽的末端保持水平 B．每次釋放小球的位置必須不同 C．每次必須由靜止釋放小球 D．記錄小球位置用的木條(或凹槽)每次必須嚴(yán)格地等距 離下降 E．小球運動時不應(yīng)與木板上的白紙(或方格紙)相觸 F．將球的位置記錄在紙上后，取下紙，用直尺將點連成折線 【答案】ACE 類型二、對實驗結(jié)果的分析 例2、在研究平拋物體運動的實驗中，用一張印有小方格的紙記錄軌跡，如圖所示。已知小方

12、格的邊長為，小球在平拋運動途中的幾個位置為圖中的a、b、c、d所示，取，則 （1）小球平拋的初速度的計算式為 （用表示），其值是 。 （2）求小球在b點速率大小為 。 【思路點撥】由方格紙上讀出有關(guān)水平和豎直兩個方向的運動信息，進(jìn)行求解。解此題關(guān)鍵在于對所給圖的分析：在豎直方向從a 點起，各點間的位移是1∶2∶3，所以a點不是平拋的起點。 【答案】（1） 0.7m/s （2）0.875m/s 【解析】（1）解法一：設(shè)的時間為t，在水平方向因為勻速運動則有……① 設(shè)在a點其豎直分速度的，a和b的高度差為，b和c間為；c與d之間為，則有： 可得 由圖知

13、 所以 將②代入① 由可知： 解法二：平拋運動可分解為豎直方向上的初速度是零自由落體運動，在水平方向上的初速為的勻速直線運動，所以 把可知： （2）小球由a—b—c時間間隔相同，b為中間時刻，在豎直方向上的分運動b點也是分運動的中間時刻，那么它的y方向分速度大小等于平均速度大?。? 　　　即 水平速度 　　　根據(jù)平行四邊形法則，小球在b點速率為： 　【總結(jié)升華】解題關(guān)鍵：（1）小球在平拋運動途中的幾個位置a、b、c、d 的水平間距相等，意味著小球途經(jīng)各個點的時間間隔相等；（2）勻變速直線運動滿足關(guān)系。 舉一反三 【變式】（2015 合肥市期末考）

14、如圖實線為某質(zhì)點平拋運動軌跡的一部分， AB、BC間水平距離△s1＝△s2＝0.4m，高度差△h1＝0.25m，△h2＝0.35m． 求：（1）拋出初速度v0為 。 （2）由拋出點到A點的時間為 。（g=10m/s2） 【答案】(1)4M/S (2)0.2S 類型三、研究平拋物體的運動實驗的創(chuàng)新設(shè)計及應(yīng)用 例3、根據(jù)平拋運動規(guī)律，設(shè)計一個測玩具槍子彈初速度的方案． (1)畫出測量原理圖； (2)說明要測量的物理量，并導(dǎo)出初速度的表達(dá)式． 【思路點撥】將玩具槍水平放置，子彈出膛后做平拋運動，自槍口為起點，測出一段時間內(nèi)的水

15、平距離和豎直方向的距離，根據(jù)平拋運動知識可設(shè)計出測量原理，并能推導(dǎo)出初速度表達(dá)式。 【解析】(1)將玩具槍水平放置，靶子放在適當(dāng)遠(yuǎn)的地方，豎直放在水平地面上，如圖所示． (2)用刻度尺測出槍口離地面的高度H，槍口與靶子間的水平距離x，彈孔離地面的高度h． 由平拋運動規(guī)律，得， ． 由①②解得，即為子彈初速度的表達(dá)式． 【總結(jié)升華】“研究平拋物體的運動”這一實驗是根據(jù)平拋運動的特點：水平方向為勻速直線運動，豎直方向為自由落體運動設(shè)計的．在不改變實驗原理的情況下，對實驗的裝置可進(jìn)行大膽地創(chuàng)新設(shè)計． 舉一反三 【變式】做雜技表演的汽車從高臺水平飛出

16、，在空中運動后著地，一架照相機通過多次曝光，拍攝到汽車在著地前后一段時間內(nèi)的運動照片如圖所示(虛線為正方形格子)．已知汽車長度為3.6 m，相鄰兩次曝光的時間間隔相等，由照片可推算出汽車離開高臺時的瞬時速度大小為________m/s．高臺離地面的高度為________m．(g取10m/s2) 【答案】12 11.25 【解析】由照片知在前兩次曝光的時間間隔內(nèi)，豎直位移之差：△y＝l＝3.6 m． 又△y＝gT2，所以，曝光時間：． 曝光時間內(nèi)的水平位移：m，所以m/s＝12 m/s． 第二次曝光時車的豎直速度：m/s＝9 m/s， 此時，車下落的時間：， 從開始到落地的總時間：， 故高臺離地面的高度：＝11.25m． 【總結(jié)升華】用頻閃照相的方法研究平拋運動的關(guān)鍵是通過背景獲取位移信息建立平拋運動模型，利用平拋運動規(guī)律解題．