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(共36張PPT)
3　實驗：探究平拋運動的特點
?實驗目的
1．用實驗方法描出平拋運動的軌跡。
2．探究平拋運動豎直方向分運動和水平方向分運動的特點。
?實驗原理
用頻閃照相的方法或研究平拋運動的實驗裝置得出小球做平拋運動的不同時刻的位置，用平滑曲線連接各位置，得到小球做平拋運動的軌跡。以小球拋出的起點為坐標原點，沿水平方向和豎直向下的方向建立平面直角坐標系，根據各點坐標數據研究小球在水平方向和豎直方向的運動規律。
?實驗器材
頻閃照相機、小球、平拋實驗裝置、白紙、復寫紙、鉛筆、刻度尺、三角板等。
?探究方案
1．頻閃照相法探究平拋運動的特點
用頻閃照相機記錄下平拋物體在不同時刻的位置，如圖所示。由于閃光的時間間隔是相等的，只要測量照片上相鄰兩小球在水平方向和豎直方向的位移隨時間變化的具體數據，就可以分析并得出平拋運動在水平方向和豎直方向上的運動特點。
2．分步法探究平拋運動的特點
(1)探究平拋運動在豎直方向上的特點
如圖所示，用小錘擊打彈性金屬片后，A球沿水平方向拋出，
做平拋運動；同時B球被釋放，自由下落，做自由落體運動。
觀察兩球的運動軌跡，比較它們落地時間的先后。
(2)探究平拋運動在水平方向上的特點
應用如圖所示的裝置，利用描跡法得到平拋運動的軌跡，結合(1)中得出的平拋運動豎直分運動的特點，再分析出平拋運動在水平方向上的特點。
?實驗步驟與數據處理
方案一　用頻閃照相法探究平拋運動的特點
1．安裝斜槽軌道，使其末端保持水平。
2．將小球從斜槽上適當位置由靜止釋放，用頻閃照相機記錄下小球在不同時刻的位置，如圖甲所示。
3．選頻閃照片的第一小球球心為原點建立平面直角坐標系，測量出每個小球(或每3個取1個球)的球心相對應的x軸坐標和y軸坐標，如圖乙所示。
4．根據頻閃照相的特點，若頻閃周期為T，每相鄰兩球的時間間隔相等，都是T，則圖5.3-6乙中OA、AB、BC的時間間隔就是3T。
將所測的數據填入表格，分析小球水平方向分運動和豎直方向分運動的 特點。
小球位置 O A B C
x軸坐標 0 x1 x2 x3
y軸坐標 0 y1 y2 y3
(二)探究平拋運動水平分運動的特點
1．調整安裝有斜槽的實驗裝置，使平板豎直，斜槽M的末端水平。
2．在白紙上記錄下小球的拋出點O，作為坐標原點，記錄下重垂線的方向，如圖所示。
3．讓小球在斜槽某高度由靜止滾下，小球飛出后，落在左右水平、外高內低的擋板N上，擠壓復寫紙，在白紙上留下印跡。
4．上下調節擋板N，通過多次實驗，在白紙上記錄小球經過的多個位置。
5．取下白紙，用平滑的曲線把各印跡連接起來，就得到小球做平拋運動的軌跡。
?數據處理
1．過小球拋出點作平行于重垂線方向的直線作為y軸，過小球拋出點作y軸的垂線作為x軸，建立平面直角坐標系。
2.在平拋運動軌跡的y軸上，從原點O開始向下取一個坐標
值為h的點，再找到坐標值為4h、9h、…的點，因小球在y軸
方向做自由落體運動，則在y軸上，相鄰兩點的時間間隔是
相等的，如圖所示。
3．過這些點作水平線與軌跡分別交于A、B、C、…點，則這些點就是每經過相等時間小球所到達的位置。
4．分別測量O點到A、B、C、…各點的水平距離，如果在誤差允許的范圍內，OA′＝L，OB′＝2L，OC′＝3L，…，則說明小球沿水平方向做勻速直線運動。
?誤差分析
1．斜槽末端沒有調整至水平，小球離開斜槽后不做平拋運動。
2．小球做平拋運動的起點記錄有誤。
3．小球運動軌跡連接不準確。
4．相等時間間隔測量不準確。
?注意事項
1．斜槽調整：實驗中必須調整斜槽末端水平，將小球放在斜槽末端水平部分，若沒有明顯的運動傾向，則說明斜槽末端就水平。
2．平板固定：平板必須處于豎直平面內，固定時要用重垂線檢查平板是否豎直。
3．小球釋放：
(1)小球每次必須從斜槽上同一位置自由滾下。
(2)小球開始滾下的位置高度要適中，以使小球平拋運動的軌跡由白紙的左上角一直到達右下角為宜。
4．坐標原點：坐標原點不是槽口的端點，應是小球出槽口時球心在木板上的投影點。
典例1　在“研究平拋運動”實驗中，以小鋼球離開軌道末端時球心位置為坐標原點O，建立水平與豎直坐標軸。讓小球從斜槽上離水平桌面高為h處靜止釋放，使其水平拋出，通過多次描點可繪出小球做平拋運動時球心的軌跡，如圖所示。在軌跡上取一點A，讀取其坐標(x0，y0)。
[答案]　(1)C　(2)D　(3)確保多次運動的軌跡相同
【對點訓練】
1．用如圖所示的裝置研究平拋運動。將白紙和復寫紙對齊重疊
并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點飛
出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板的一側較低，鋼
球落在擋板上時，鋼球側面會在白紙上擠壓出一個痕跡點。移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復，白紙上將留下一系列痕跡點。
(1)下列實驗條件必須滿足的有________。
A．斜槽軌道光滑
B．斜槽軌道末端水平
C．擋板高度等間距變化
D．每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球
(2)為定量研究，建立以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的坐標系。取平拋運動的起始點為坐標原點，將鋼球靜置于Q點，鋼球的________(填“最上端”“最下端”或“球心”)對應白紙上的位置即為原點；在確定y軸時________(填“需要”或“不需要”)y軸與重垂線平行。
(3)為了得到平拋物體的運動軌跡，同學們還提出了以下三種方案，其中可行的是________。
A．從細管水平噴出穩定的細水柱，拍攝照片，即可得到平拋運動軌跡
B．用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置，平滑連接各位置，即可得到平拋運動軌跡
C．將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，將會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡
解析：(1)實驗中沒必要要求斜槽軌道光滑，因為本實驗是研究平拋運動，所以只需要每次實驗都能保證小球做相同的平拋運動，即每次實驗都要保證小球初速度水平且相同，故A錯誤，B、D正確。擋板高度可以不等間距變化，故C錯誤。
(2)因為鋼球側面在白紙上擠壓出的痕跡點與球心等高，所以將鋼球靜置于Q點，鋼球的球心對應白紙上的位置即為坐標原點(平拋運動的起始點)；在確定y軸時需要y軸與重垂線平行。
(3)將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，因為鉛筆筆尖與筆尾受力不同，鉛筆將不能保持始終垂直于豎直的白紙板運動，而發生傾斜，所以不會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡，故C錯誤。故選A、B。
答案：(1)BD　(2)球心　需要　(3)AB
(二)數據處理和誤差分析
典例2　在做“探究平拋物體的特點”的實驗時：
(1)鋼球拋出點的位置必須及時記錄在白紙上，然后從這一點畫水平線和豎直線作為x軸和y軸，豎直線是用________這一器材來確定的。
(2)某同學通過實驗得到的軌跡如圖甲所示，由軌跡可知，豎直距離yOA∶yAB∶yBC＝________，對應時間tOA∶tAB∶tBC＝__________，這表明豎直方向是初速度為______的________運動。
(3)該同學在軌跡上選取間距較大的幾個點，測出其坐標，并在平面直角坐標系內繪出了y-x2圖像，如圖乙所示，此平拋物體的初速度v0＝0.49 m/s，豎直方向的加速度g＝______m/s2。(結果保留3位有效數字)
[微點撥]
數據處理的三點提醒
(1)鋼球拋出點的位置必須記錄準確，并且將該位置作為坐標原點。
(2)豎直線(y軸方向)要用重垂線來確定。
(3)選取研究的點時保證各點的水平距離相等?！　　　?br/>【對點訓練】
2.(2024·河北高考，節選)圖1為探究平拋運動特點的裝置，其斜槽位置固定且末端水平，固定坐標紙的背板處于豎直面內，鋼球在斜槽中從某一高度滾下，從末端飛出，落在傾斜的擋板上擠壓復寫紙，在坐標紙上留下印跡。某同學利用此裝置通過多次釋放鋼球，得到了如圖2所示的印跡，坐標紙的y軸對應豎直方向，坐標原點對應平拋起點。
(1)每次由靜止釋放鋼球時，鋼球在斜槽上的高度________(填“相同”或“不同”)。
(2)在坐標紙中描繪出鋼球做平拋運動的軌跡。
(3)根據軌跡，求得鋼球做平拋運動的初速度大小為________m/s(當地重力加速度g為9.8 m/s2，保留2位有效數字)。
解析：(1)探究平拋運動特點的實驗中，要使鋼球到達斜槽末端的速度相同，則每次由靜止釋放鋼球時，鋼球在斜槽上的高度相同。
(2)用平滑曲線連接坐標紙上的點，即為鋼球做平拋運動的軌跡，作圖時應使盡可能多的點在圖線上，不在圖線上的點均勻分布在圖線兩側，如圖所示。
答案：(1)相同　(2)見解析圖　(3)0.74(0.69～0.79均可)
創新點(一)　實驗原理、實驗器材的創新
1．如圖所示，探究平拋運動的特點的實驗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得小鋼球的水平初速度和飛行時間，底板上的標尺可以測得水平位移。保持水平槽口距底板高度h＝0.420 m不變。改變小鋼球在斜槽導軌上下滑的起始位置，測出小鋼球做平拋運動的初速度v0、飛行時間t和水平位移d，記錄在表中(不計空氣阻力)。
(1)由表中數據可知，在h一定時，小鋼球水平位移d與其初速度v0成________關系，與________無關。
v0/(m·s－1) 0.741 1.034 1.318 1.584
t/ms 292.7 293.0 292.8 292.9
d/cm 21.7 30.3 38.6 46.4
[微點撥]
本題的創新點：
(1)原理創新：本實驗探究了高度一定時，平拋運動的水平位移與初速度的關系。
(2)器材創新：本實驗應用光電門傳感器和碰撞傳感器的組合測量鋼球的水平初速度和飛行時間；應用底板上的標尺測量平拋運動的水平位移。
創新點(二)　實驗器材、數據處理的創新
2．頻閃攝影是研究變速運動常用的實驗手段。在暗室中，照相機的快門處于常開狀態，頻閃儀每隔一定時間發出一次短暫的強烈閃光，照亮運動的物體，于是膠片上記錄了物體在幾個閃光時刻的位置。某物理小組利用如圖甲所示裝置探究平拋運動規律。他們分別在該裝置正上方和右側正前方安裝了頻閃儀器并進行了拍攝，得到的頻閃照片如圖乙和圖丙所示，O為拋出點，P為運動軌跡上某點。根據平拋運動規律分析下列問題。
(1)頻閃儀器A所拍攝的頻閃照片為______(填“乙”或“丙”)。
(2)圖丙所示的頻閃照片可以說明_______________________________。
解析：(1)小球做平拋運動時，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，故頻閃儀器A所拍攝的頻閃照片為圖丙。
(2)頻閃照片圖丙可以說明小球在水平方向上的分運動為勻速直線運動。
答案：(1)丙　(2)見解析
[微點撥]
本題的創新點：
(1)器材創新：正上方的頻閃儀器A拍攝物體在水平方向的運動，右側正前方的頻閃儀器B拍攝物體在豎直方向的運動。
(2)數據處理的創新：應用頻閃照片分別分析物體在水平方向、豎直方向的運動特點?！　　　≌n時跟蹤檢測（三） 實驗：探究平拋運動的特點
1．在探究平拋運動的規律時，可以選用下列各種裝置，以下說法合理的是(　　)
A．選用裝置1研究平拋物體豎直分運動，只能用眼睛看A、B兩球是否同時落地
B．選用裝置2要獲得細水柱所顯示的平拋軌跡，彎管末端B不一定要水平
C．選用裝置3要獲得鋼球的平拋軌跡，每次不一定要從斜槽上同一位置由靜止釋放鋼球
D．除上述裝置外，也能用數碼照相機拍攝鋼球做平拋運動每秒15幀的錄像獲得平拋軌跡
解析：選D　采用裝置1研究平拋運動是用以驗證平拋運動在豎直方向上做自由落體運動，要用耳聽A、B球是否同時落地，故A錯誤；裝置2中彎管流出的水近似做平拋運動，因此要求彎管末端一定要水平，故B錯誤；利用裝置3研究平拋運動軌跡，要使鋼球每次的運動軌跡相同，則平拋運動的初速度相同，應每次從斜槽上同一位置由靜止釋放鋼球，故C錯誤；研究平拋運動時，也可以用數碼相機對做平拋運動的鋼球照相，通過頻閃照片來研究，故D正確。
2.(2023·廣東1月學考)(多選)圖是“探究平拋運動的特點”的實驗裝置，橫擋板在不同高度卡住平拋運動的小球來確定小球運動的軌跡，下列操作正確的有(　　)
A．保持斜槽末端切線水平
B．調整硬木板使其與小球下落的豎直面平行
C．測量同一條軌跡時，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得到小球的運動軌跡
解析：選AB　小球離開斜槽后做平拋運動，必須調整斜槽使其末端切線水平，故A正確；實驗過程中，應調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；測量同一條軌跡時，為使小球做平拋運動的初速度相等，每次必須從斜槽上同一位置由靜止釋放小球，故C錯誤；用光滑曲線連接描繪的點，得到小球的運動軌跡，故D錯誤。
3.(2024·廣東佛山高一階段練習)某同學采用頻閃攝影的方法拍攝到如圖所示的小球做平拋運動的照片，圖中背景方格的邊長均為L＝5 cm，重力加速度g取10 m/s2，照相機的閃光頻率為_________ Hz；小球做平拋運動的初速度大小為________ m/s，小球經過B點時的速度大小為__________ m/s。
解析：根據g＝，解得T＝＝＝0.1 s，照相機的閃光頻率為f＝＝ Hz＝10 Hz。小球做平拋運動的初速度大小為vx＝＝ m/s＝1.5 m/s，小球經過B點的豎直分速度為vyB＝＝ m/s＝2 m/s，小球經過B點的速度大小為vB＝＝ m/s＝2.5 m/s。
答案：10　1.5　2.5
4．兩個同學根據不同的實驗條件，進行了“探究平拋運動的特點”的實驗：
(1)小明同學采用如圖甲所示的裝置。用小錘擊打彈性金屬片，使A球沿水平方向彈出，同時B球被松開，自由下落，觀察到兩球同時落地，改變小錘擊打的力度，即改變A球被彈出時的速度，兩球仍然同時落地，這說明_________________________________________。
(2)小松同學采用如圖乙所示的裝置。兩個相同的弧形軌道M、N，分別用于發射小鐵球P、Q，其中軌道N的末端與光滑的水平板相切，兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D；調節電磁鐵C、D的高度使AC＝BD，從而保證小鐵球P、Q在軌道末端射出的水平初速度v0相等?，F將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，然后切斷電源，使兩小鐵球同時以相同的初速度v0分別從軌道M、N的末端射出。實驗可觀察到的現象是
________________________________________________________________________。
僅僅改變弧形軌道M的高度，重復上述實驗，仍能觀察到相同的現象，這說明________________________________________________________________________。
解析：(1)通過對照實驗，保證兩球同時運動，由此說明做平拋運動的物體在豎直方向上做自由落體運動。(2)由平拋運動的規律知兩球在水平軌道上相遇，水平方向運動情況相同，說明做平拋運動的物體在水平方向上做勻速直線運動。
答案：(1)做平拋運動的物體在豎直方向上做自由落體運動　(2)P球擊中Q球　做平拋運動的物體在水平方向上做勻速直線運動
5．某同學設計了一個研究平拋運動的實驗，如圖所示，A是一塊平面木板，在其表面等間隔地開鑿出一組平行的插槽(圖中P0P0′，P1P1′，…)，槽間距離均為d。把覆蓋復寫紙的白紙鋪貼在硬板B上。實驗時依次將B板插入A板的各插槽中，每次讓小球從斜槽的同一位置由靜止釋放。每打完一點后，把B板插入后一槽中并同時向紙面內側平移距離d。實驗得到小球在白紙上打下的若干痕跡點。
(1)實驗前應對實驗裝置反復調節，直到______________________________。每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了______________________________。
(2)每次將B板向紙面內側平移距離d，是為了__________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)實驗前應對實驗裝置反復調節，直到斜槽末端水平，保證小球拋出后做平拋運動，每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了保證小球水平拋出的初速度相同。
(2)平拋運動在水平方向上的分運動為勻速直線運動，每次將B板向紙面內側平移距離d，是為了保證相鄰痕跡點間的水平距離大小相同。
答案：見解析
6.如圖所示，是利用閃光照相“探究平拋運動的特點”的示意圖。小球A由斜槽滾下，從桌邊緣水平拋出，當它恰好離開桌邊緣時，小球B也同時下落，閃光頻率為10 Hz的閃光器拍攝的照片中B球有四個像，像間距離已在圖中標出，兩球恰在位置4相碰。則A球從離開桌面到和B球碰撞時經過的時間為________s，A球離開桌面的速度為________m/s。
解析：閃光器的閃光頻率為10 Hz，閃光周期T＝0.1 s，則A球從離開桌面到和B球碰撞時經過的時間為0.3 s，所以A球離開桌面的速度v0＝＝1 m/s。
答案：0.3　1
7．某同學利用圖甲所示裝置研究平拋運動的規律。實驗時該同學使用頻閃儀和照相機對做平拋運動的小球進行拍攝，頻閃儀每隔0.05 s發出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖乙所示(圖中未包括小球剛離開軌道的圖像)。圖中的背景是放在豎直平面內的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個方格的邊長為5 cm。該同學在實驗中測得的小球影像的高度差已經在圖乙中標出。
完成下列填空：(結果均保留2位有效數字)
(1)小球運動到圖乙中位置A時，其速度的水平分量大小為________m/s，豎直分量大小為________m/s；
(2)根據圖乙中數據可得，當地重力加速度的大小為________m/s2。
解析：(1)因小球在水平方向做勻速直線運動，因此速度的水平分量大小為v0＝＝ m/s＝1.0 m/s；小球在豎直方向做自由落體運動，因此在A點的豎直速度可由平均速度等于時間中點的瞬時速度求得，其速度的豎直分量大小為
vy＝ m/s≈2.0 m/s。
(2)由豎直方向的自由落體運動可得當地重力加速度的大小為g＝
代入數據可得g＝9.7 m/s2。
答案：(1)1.0　2.0　(2)9.7
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