淺談研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、淺談研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)湖北 陳宏研究平拋物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理中的重要實(shí)驗(yàn)之一，高考復(fù)習(xí)時(shí)不但要掌握課本上介紹的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理方法，而且還要掌握研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)?？v觀歷年高考物理試題，很多實(shí)驗(yàn)試題都是考查學(xué)生對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的。下面就談?wù)勓芯科綊佭\(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。一、實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新要得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，有多種實(shí)驗(yàn)方法，下面介紹幾種新的實(shí)驗(yàn)方法。圖1水平噴出的細(xì)水柱顯示平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。A方法1：用水流研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)如圖1，倒置的飲料瓶?jī)?nèi)裝著水，瓶塞內(nèi)插著兩根兩端開(kāi)口的細(xì)管，其中一根彎成水平，且水平端加接一段更細(xì)的硬管作為噴嘴。水從噴嘴中射出

2、，在空中形成彎曲的細(xì)水柱，它顯示了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。設(shè)法把它描在背后的紙上就能進(jìn)行分析處理了。插入瓶中的另一根細(xì)管的作用，是保持從噴嘴射出水流的速度不變，使其不隨瓶?jī)?nèi)水面的下降而減小。這是因?yàn)樵摴苌隙伺c空氣相通，A處水的壓強(qiáng)始終等于大氣壓，不受瓶?jī)?nèi)水面高低的影響。因此，在水面降到A處以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，都可以得到穩(wěn)定的細(xì)水柱。方法2:用數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)記錄平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡 數(shù)碼相機(jī)大多具有攝像功能，每秒鐘拍攝約15幀照片?？梢杂盟臄z小球從水平桌面飛出后做平拋運(yùn)動(dòng)的幾張連續(xù)照片。如果用數(shù)學(xué)課上畫函數(shù)圖象的方格黑板做背景，就可以根據(jù)照片上小球的位置在方格紙上畫出小球的軌跡。方法3:在水平方向

3、平移擋板法圖2在做“研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中，為了確定小球在不同時(shí)刻所通過(guò)的位置，實(shí)驗(yàn)時(shí)用如圖2所示的裝置，將一塊平木板釘上復(fù)寫紙和白紙，豎直立于槽口前某處，使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止滑下，小球撞在木板上留下痕跡A；將木板向后移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止滑下，小球撞在木板上留下痕跡B；又將木板再向后移距離x，小球再?gòu)男辈凵暇o靠擋板處由靜止滑下，再得到痕跡C。若測(cè)得木板每次后移距離x ，A、B間距離y1 ，A、C間距離y2 （g取9.80m/s2）根據(jù)以上直接測(cè)量的物理量可導(dǎo)出測(cè)小球初速度的公式為方法4:在水平方向側(cè)移擋板法某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4、如圖3所示，A是一塊平面木板，在其上等間隔地開(kāi)鑿出一組平行的插槽（圖3中、），槽間距離均為。把覆蓋復(fù)寫紙的白紙鋪貼在硬板B上。實(shí)驗(yàn)時(shí)依次將B板插入A板的各插槽中，每次讓小球從斜軌的一同位置由靜止釋放。每打完一點(diǎn)后，把B板插入后一槽中并同時(shí)向紙面內(nèi)側(cè)平移距離。實(shí)驗(yàn)得到小球在白紙上打下的若干痕跡點(diǎn)，如圖4所示。圖3圖4圖5（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_。每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了_。（2）每次將B板向內(nèi)側(cè)平移距離，是為了_ 。（3）在圖4中繪出小球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。解析：（1）斜軌末端水平、A板水平、插槽P0P0/垂直斜軌末端正下，使小球每次作平拋運(yùn)動(dòng)的初速度都相同。（2）使

5、記錄紙上每?jī)牲c(diǎn)之間的水平距離等于小球在水平方向?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)的距離。（3）如圖5所示二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新1.x、y軸都畫出，坐標(biāo)原點(diǎn)未畫出的數(shù)據(jù)處理例1. 在研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，用一張印有小方格的紙記錄軌跡，小方格的邊長(zhǎng)為，若小球在平拋運(yùn)動(dòng)途中的幾個(gè)位置如圖6中的a、b、c、d所示，則小球平拋的初速度的計(jì)算式為=_（用L，g表示），其值為_(kāi)（取g=9.8m/）。圖6分析與解：根據(jù)題意，仔細(xì)審查圖中a、b、c、d四點(diǎn)的相對(duì)位置，發(fā)現(xiàn)相鄰的兩點(diǎn)間的水平距離均為2L，這里就隱含著“物體在相鄰的兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等”的條件，設(shè)這相等時(shí)間為，由于豎直方向是加速度為g的勻加速運(yùn)動(dòng)，由可得，再由水平方向是勻

6、速運(yùn)動(dòng)得，聯(lián)立上述兩式解得。y圖72.y軸畫出，x軸和坐標(biāo)原點(diǎn)都未畫出的數(shù)據(jù)處理例2.某同學(xué)在做平拋物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，不慎未定好原點(diǎn)，只畫了豎直線，而且只描出了平拋物體的后一部分軌跡，如圖7所示。依此圖只用一把刻度尺，如何計(jì)算出平拋物體的初速度v0?yy2y1ABCxx圖8分析與解：為了求出平拋物體的初速度，要畫出三條等距（x）、平行于y軸的豎直線與軌跡交于A、B、C三點(diǎn)，如圖8所示。然后分別過(guò)A、B、C三點(diǎn)作三條水平直線，A、B兩點(diǎn)豎直距離為y1,A、B兩點(diǎn)豎直距離為y1,A、C兩點(diǎn)豎直距離為y2,由和,解得：.3.x軸畫出，y軸和坐標(biāo)原點(diǎn)都未畫出的數(shù)據(jù)處理圖9例3.某同學(xué)做“研究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)

7、律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，只在白紙上畫出了與初速度v0平行的Ox軸，以及做平拋運(yùn)動(dòng)小球的一部分軌跡，忘了畫坐標(biāo)原點(diǎn)和Oy軸，如圖9所示。在這種情況下，若只用刻度尺，如何求得該小球的初速度v0？ （1）寫出測(cè)量的主要步驟和需要測(cè)量的物理量，并在圖上標(biāo)出有關(guān)物理量的符號(hào)； （2）用測(cè)得的物理量和有關(guān)常量，寫出計(jì)算該小球初速度v0的表達(dá)式v0= .Ox圖10xxy1y2分析與解：(1)在該運(yùn)動(dòng)軌跡上取相鄰的兩個(gè)點(diǎn)間的水平距離相等的三個(gè)點(diǎn)A、B、C； 測(cè)出相鄰兩個(gè)點(diǎn)間的水平距離x和相鄰兩個(gè)點(diǎn)間的豎直距離 (2)4.利用頻閃照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理圖11例4.如圖11所示，是用閃光燈照相法攝的一個(gè)平拋小球的照片，照相機(jī)每隔

8、相等時(shí)間曝光一次，拍照時(shí)，不能保持底片的上邊緣是水平，請(qǐng)用合理的辦法確定圖中重力加速度方向（保留作圖痕跡）。若圖距與實(shí)際距離之比為1：10。在這種情況下，若只用刻度尺，如何求得該小球的初速度v0和曝光時(shí)間間隔T？(重力加速度g已知) （1）寫出測(cè)量的主要步驟和需要測(cè)量的物理量，并在圖上標(biāo)出有關(guān)物理量的符號(hào)； （2）用測(cè)得的物理量和有關(guān)常量，寫出計(jì)算該小球初速度v0的表達(dá)式v0= .圖12xyxxy1y2分析與解：把首末兩點(diǎn)相連并且三等份，各等份點(diǎn)與對(duì)應(yīng)順序的照片上的點(diǎn)相連，即是重力加速度所在的直線，并標(biāo)明方向.用刻度尺測(cè)出圖中的x和y1、y2,則有:,解得,三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新1.利用平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)

9、子彈的速度圖13圖14例5.試根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)測(cè)量彈射器彈丸出射初速度方法。提供實(shí)驗(yàn)器材：彈射器(含彈丸，如圖13所示。鐵架臺(tái)(帶有夾具)、米尺(1)在方框中畫出實(shí)驗(yàn)示意圖。(2)在安裝彈射器時(shí)應(yīng)注意：_。(3)實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的量(并在示意圖中用字母標(biāo)出)：_。(4)由于彈射器每次射出的彈丸初速度不可能完全相等，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的方法是_ 。(5)計(jì)算公式：_。分析與解： 彈射器只有保持水平，彈出的彈丸的運(yùn)動(dòng)才是平拋運(yùn)動(dòng)，則下降的豎直高度y，可以利用，求出平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；測(cè)出水平位移，可求出水平速度，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，求平均值減小誤差。（1）實(shí)驗(yàn)示意圖如圖14所示；（2）彈射器必須保持水平；（3

10、）彈丸下降高度y和水平射程；（4）在不變高度y的條件下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)量水平射程x，得出平均水平射程；圖15（5）2.利用平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)彈性勢(shì)能例6、為了測(cè)定一根輕彈簧壓縮最短時(shí)儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能大小，可以將彈簧固定在一帶有凹槽軌道一端，并將軌道固定在水平桌面邊緣上，如圖15所示，用鋼球?qū)椈蓧嚎s至最短，而后突然釋放，鋼球?qū)⒀剀壍里w出桌面，實(shí)驗(yàn)時(shí)：(1)需要測(cè)定的物理量是_；(2)計(jì)算彈簧最短時(shí)彈性勢(shì)能的關(guān)系式是EP=_。分析與解： 要求彈簧的彈性勢(shì)能，因只有彈簧的彈力對(duì)小球做功，則彈簧的彈性勢(shì)能等于小球離開(kāi)桌面時(shí)的動(dòng)能。要求小球離開(kāi)桌面時(shí)間的動(dòng)能，則就要求出小球離開(kāi)桌面時(shí)的速度。求小球離開(kāi)桌面的速度，則需要根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的有關(guān)知識(shí)來(lái)解。 (1) 需要測(cè)定的物理量是桌子的高度h，鋼球落地點(diǎn)跟桌子邊緣的水平距離s； (2) 彈簧最短時(shí)彈性勢(shì)能的關(guān)系式是3.利用平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)水泵流量圖16例7、物理學(xué)是很實(shí)用的一門學(xué)科，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有許多運(yùn)用。請(qǐng)你用所學(xué)的物理知識(shí)幫助農(nóng)民估測(cè)出農(nóng)用水泵的流量（在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流管橫截面的流體體積稱為流量）。已知水泵的出水管是水平的，且出水管外徑在10cm左右。提供的實(shí)驗(yàn)器材有：一把鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、一長(zhǎng)直細(xì)木棒和一重錘線。（1）寫出測(cè)量的主