淺談研究平拋運動實驗的創(chuàng)新設計

1、精心整理淺談研究平拋運動實驗的創(chuàng)新設計湖北陳宏研究平拋物體運動的實驗是中學物理中的重要實驗之一，高考復習時不但要掌 握課本上介紹的實驗原理、實驗器材、實驗步驟及數(shù)據(jù)處理方法，而且還要掌握研 究平拋運動實驗的創(chuàng)新設計?？v觀歷年高考物理試題，很多實驗試題都是考查學生 對中學物理實驗的創(chuàng)新設計的。下面就談談研究平拋運動實驗的創(chuàng)新設計。一、實驗方法的創(chuàng)新I JI要得到平拋運動的軌跡，有多種實驗方法，下面介紹幾種新的實驗方法。方法1:用水流研究平拋物體的運動,如圖1,倒置的飲料瓶內(nèi)裝著水，瓶塞內(nèi)插著A I * J兩根兩端開口的細管，其中一根彎成水平，且水平端加接一段“更細的硬管作為噴嘴。圖1水平噴出水從

2、噴嘴中射出，在空中形成彎曲的細水柱，它顯示了平拋運動的軌跡。設法把它描在背后的紙上就能進行分析處理了。插入瓶中的另一根細管的作用，是保持從噴嘴射出水流的速度不變，使其不隨 瓶內(nèi)水面的下降而減小。這是因為該管上端與空氣相通，A處水的壓強始終等于大氣 壓，不受瓶內(nèi)水面高低的影響。因此，在水面降到A處以前的很長一段時間內(nèi)，都可以得到穩(wěn)定的細水柱。方法2:用數(shù)碼照相機或數(shù)碼攝像機記錄平拋運動的軌跡數(shù)碼相機大多具有攝像功能，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動的幾張連續(xù)照片。如果用數(shù)學課上畫函數(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。

3、方法3:在水平方向平移擋板法木板釘上復小球從斜梢板上留下痕斜梢上緊靠 下痕跡B;又在做“研究平拋物體的運動”的實驗中，為了確定小球在不同時刻所通過的位置, 實驗時用如圖2所示的裝置，將一塊平 寫紙和白紙，豎直立于梢口前某處，使 上緊靠擋板處由靜止滑下，小球撞在木 跡A;將木板向后移距離x,再使小球從 擋板處由靜止滑下，小球撞在木板上留 將木板再向后移距離x,小球再從斜梢上緊靠擋板處由靜止滑下，再得到痕跡 C若 測得木板每次后移距離x, A B間距離Vi, A C間距離V2 (g取9.80m/s2)根據(jù)以2上直接測量的物理量可導出測小球初速度的公式為 V0、- y2 -2yi方法4:在水平方向側(cè)

4、移擋板法某同學設計了一個研究平拋運動的實驗。 實驗裝置示意圖如圖3所示，A是一塊 平面木板，在其上等間隔地開鑿出一組平行的插梢(圖 3中PoP。、RP；)，梢間 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 插梢中，每次讓小球從斜軌的一同位置由靜止釋放。每打完一點后，把B板插入后Po Pi Pz P3 R 用圖4(1)實驗 前應對實驗裝 置反復調(diào)節(jié)， 直到。每 次讓小球從同 一位置由靜止 釋放，是為了圖3板向內(nèi)側(cè)平移距離d ,是為了(2)每次將B(3)在圖4中繪出小球做平拋運動的軌跡。X一梢中并同時向紙面內(nèi)側(cè)平移距離d。實驗得到小球在白紙上打下的若干痕跡點， 如

5、 圖4所示。精心整理解析：(1)斜軌末端水平、A板水平、插梢RR/垂直斜軌末端正下，使小球每 次作平拋運動的初速度都相同。(2)使記錄紙上每兩點之間的水平距離等于小球在水平方向?qū)嶋H運動的距離。(3)如圖5所示二、實驗數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新1 .x、y軸都畫出，坐標原點未畫出的數(shù)據(jù)處理點的相對位 含著“物體 間為To,由得 L = gTo2 ,例1.在研究平拋運動的實驗中，用一張印有小方格的紙記錄軌跡，小方格的邊 長為L=1.25cm,若小球在平拋運動途中的幾個位置如圖 6中的a、b、c、d所示，則小 球平拋的初速度的計算式為Vo=(用L, g表示)，其值為(取g=9.8m/s2)分析與解：根據(jù)題意

6、，仔細審查圖中a、b、c、d四置，發(fā)現(xiàn)相鄰的兩點間的水平距離均為 2L,這里就隱 I在相鄰的兩點間運動時間相等”的條件，設這相等時于豎直方向是加速度為g的勻加速運動，由AS = aT2可再由水平方向是勻速運動得2L = VoTo ,聯(lián)立上述兩式解得vo = 2Ig = 0.70m/s2 .y軸畫出，x軸和坐標原點都未畫出的數(shù)據(jù)處理、例2.某同學在做平拋物體運動的實驗時，不慎 未定好原點，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V 圖7示。依此圖只用一把刻度尺，如何計算出平拋物體的初速度V0?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軸圖8的豎直線與

7、軌跡交于A、B、C三點，如圖8所示。然A、B C三點作三條水平直線，A B兩點豎直距離為 豎直距離為y1,A、C兩點豎直距離為y2,由Ax=v0T和精心整理Ay = y -2yi = gT2,解得：Vo =以如/4y - 2y1.3 .x軸畫出，y軸和坐標原點都未畫出的數(shù)據(jù)處理例3.某同學做“研究平拋運動規(guī)律”的實驗時，只在白紙上畫出了與初速度平行的OX軸，以及做平拋運動小球的一部分軌跡，忘了畫坐標原點和 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Vo?(1)寫出測量的主要步驟和需要測量的圖9物理量，并在圖上標出有關物理量的符號；(2)用測得的物理量和有關常量，寫出

8、計算該小球初速度Vo的表達式Vo=.分析與解：(1)在該運動軌跡上取相鄰的兩個點間鄰兩個點圖11拋小球的照 持底片的上 向(保留作圖 況下，若只用T?(重力加的水平距離相等的三個點 A、R C;測出相 I間的水平距離x和相鄰兩個點間的豎直距離yi和y2,設Ay 斗 y2 -yi |4 .利用頻閃照片進行數(shù)據(jù)處理例4.如圖11所示，是用閃光燈照相法攝的一個平 片，照相機每隔相等時間曝光一次，拍照時，不能保 邊緣是水平，請用合理的辦法確定圖中重力加速度方 痕跡)。若圖距與實際距離之比為 1: 10。在這種情 刻度尺，如何求得該小球的初速度Vo和曝光時間間隔速度g已知)(1)寫出測量的主要步驟和需要

9、測量的物理量，并在圖上標出有關物理量的符號;精心整理(2)用測得的物理量和有關常量，寫出計算該小球初速度V0的表達式V0=.分析與解：把首末兩點相連并且三等份，各等份點與對應順序的照片上的點相連，即是重力加速度所標明方向.用刻度尺測出圖中的 x和y1、y2,則有:210 x =v0T , 10y2 -10yi = gT在的直線，并解得T二巫正 V0 =10X0 g1.10丫2 -I0yi三、實驗目的的創(chuàng)新1.利用平拋運動測子彈的速度例5.試根據(jù)平拋運動原理設計測量彈射器彈丸出射初速度方法。提供實驗器材：彈射器(含彈丸，如圖13所的湖匕示。鐵架臺(帶有夾具)、米尺(1)在方框中畫出實驗示意圖。(

10、2)在安裝彈射器時應注意:(3)實驗中需要測量的量(并在示意圖中用字母標出):(4)由于彈射器每次射出的彈丸初速度不可能完全相等，在實驗中應采取的方法計算公式：分析與解：彈射器只有保持水平，彈出的彈丸的運動才是平拋運動，則下降的豎直高度y,可以利用y=1at2,求出平拋運動的時間；測出水平位移，可求出水平 2速度v=J進行多次實驗，求平均值減小誤差。 t(1)實驗示意圖如圖14所示；(2)彈射器必須保持水平；(3)彈丸下降高度y和水平射程x；(4)在不變高度y的條件下進行多次實驗，測量水平射程 x,得出平均水平射(5) V=X02.利用平拋運動測彈性勢能例6、為了測定一根輕彈簧壓縮最短時儲存的

11、彈性勢能大小，可以將彈簧固定在一帶有凹梢軌道一端，并將軌 圖15道固定在 j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)?沿軌道飛出桌面，實驗時：/ 八 r.: 廠 I(1)需要測定的物理量是;(2)計算彈簧最短時彈性勢能的關系式是 Ep=。分析與解：要求彈簧的彈性勢能，因只有彈簧的彈力對小球做功，則彈簧的彈 性勢能等于小球離開桌面時的動能。要求小球離開桌面時間的動能，則就要求出小 球離開桌面時的速度。求小球離開桌面的速度，則需要根據(jù)平拋運動的有關知識來 解。(1)需要測定的物理量是桌子的高度 h,鋼球落地點跟桌子邊緣的水平距離 s;(2)彈簧最短時彈性勢能的關系式是Ep =遺P 4h3.利用平拋運動測水泵流量例7、物理學是很實用的一門學科，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有許多運用。請你用所學的圖位時間內(nèi)泵的出水實驗器材物理知識幫助農(nóng)民估測出農(nóng)用水泵的流量(在單 通過流管橫截面的流體體積稱為流量)。已知水 管是水平的，且出水管外徑在10cm左右。提供的有：一把鋼卷尺、游標卡尺、螺旋測微器、一長直細木棒和一重錘線。(1)寫出測