(考點分析) 第三節(jié) 實驗：探究平拋運動的特點 高考物理一輪系統(tǒng)復(fù)習(xí)學(xué)思用

PAGE7【考點分析】第三節(jié)實驗：探究平拋運動的特點【考點一】對實驗裝置和實驗原理的考查【典型例題1】(2021·江蘇南京市南京師大附中)某學(xué)習(xí)小組為研究平拋物體的運動規(guī)律，設(shè)想了三套實驗裝置及實驗方案：裝置甲：上下兩斜槽軌道的材料和形狀相同，末端水平，電磁鐵C和D可以同時斷電釋放鋼球P和Q，兩鋼球形狀、材料也相同，下方斜槽連接的水平板盡可能光滑；裝置乙：小錘敲擊彈性金屬片后小球A開始平拋，同時小球B開始下落；裝置丙：末端水平的斜槽上釋放的小球從豎直硬板和水平木條MN間的縫隙穿過時，可以在墊有復(fù)寫紙的白紙上留下點狀印跡，水平木條MN高度可以上下調(diào)節(jié)。(1)為了驗證平拋物體的水平分運動是勻速直線運動，下列關(guān)于實驗原理和操作的說法正確的有___________。A．選擇裝置甲，并通過觀察小球是否碰撞來驗證B．選擇裝置乙，并通過聽小球是否同時發(fā)出落地聲來驗證C．選擇裝置甲，并應(yīng)該多次調(diào)整上下軌道的高度差來驗證D．選擇裝置乙，并應(yīng)該多次調(diào)整兩球與地面的初始高度差來驗證(2)某同學(xué)采用裝置丙進(jìn)行實驗。①為描繪小球平拋運動的完整軌跡，并計算小球平拋的初速度，除了硬板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘、白紙、復(fù)寫紙、游標(biāo)卡尺之外，下列器材中還需要的有___________。A．秒表B．刻度尺C．天平D．彈簧秤E.帶線的重錘②該同學(xué)兩次用游標(biāo)卡尺測量同一小球的直徑(如圖所示)，正確結(jié)果應(yīng)為___________cm。③該同學(xué)通過實驗獲得小球平拋運動的若干印跡點如圖所示，下列因素可能導(dǎo)致這種情況的是___________。A．小球與斜槽之間有摩擦B．安裝斜槽時其末端沒有調(diào)整水平C．每次釋放小球的位置不完全相同D．只記錄了豎直方向，沒有記錄平拋運動的起點④如圖所示，改進(jìn)操作后，該同學(xué)在坐標(biāo)紙上描繪小球平拋運動的軌跡(圖中未畫出)，并在其上選取了A、B、C三點。已知坐標(biāo)紙豎邊為豎直方向，坐標(biāo)紙每小格邊長為5cm，重力加速度g取10m/s2，則可以計算出小球平拋運動的初速度為___________m/s。(保留兩位有效數(shù)字)【解析】(1)AC．選擇裝置甲，并通過觀察小球是否碰撞來驗證平拋物體的水平分運動是勻速直線運動，并應(yīng)該多次調(diào)整上下軌道的高度差來驗證，AC正確；BD．選擇裝置乙，并通過聽小球是否同時發(fā)出落地聲來驗證平拋物體的豎直分運動是自由落體運動，并應(yīng)該多次調(diào)整兩球與地面的初始高度差來驗證，BD錯誤；(2)①除題中器材外，還需要帶線的重錘來確定硬板是否豎直及確定y軸位置，需要刻度處測量平拋過程的水平、豎直位移，BE正確。故選BE。②左圖把小球恰在中間縫隙里不對，應(yīng)按右圖進(jìn)行操作，故小球的直徑為③ABD．小球與斜槽之間有摩擦、安裝斜槽時其末端沒有調(diào)整水平或只記錄了豎直方向，沒有記錄平拋運動的起點，軌跡仍是一條完整拋物線，不會形成如圖點跡，ABD錯誤；C．每次釋放小球的位置不完全相同，在不同高度留下的點跡就不會在同一條拋物線上，C正確。故選C。④設(shè)每小格邊長為l，水平方向，A、B和B、C位移相同，故所用時間T相同，則滿足，豎直方向滿足，聯(lián)立解得。【答案】ACBE0.935C1.5【歸納總結(jié)】研究平拋運動的實驗原理是：把平拋運動看做是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．高考中常常通過變通實驗裝置、變通操作方法等達(dá)到驗證實驗的目的，考查同學(xué)們利用課本知識解決實際問題的能力．【考點二】由軌跡求解初速度【典型例題2】(2021·高考全國乙卷)某同學(xué)利用圖(a)所示裝置研究平拋運動的規(guī)律。實驗時該同學(xué)使用頻閃儀和照相機(jī)對做平拋運動的小球進(jìn)行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖(b)所示(圖中未包括小球剛離開軌道的影像)。圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)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5cm。該同學(xué)在實驗中測得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖(b)中標(biāo)出。完成下列填空：(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(1)小球運動到圖(b)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(jù)圖(b)中數(shù)據(jù)可得，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮開__________m/s2?！窘馕觥?1)[1]因小球水平方向做勻速直線運動，因此速度為。[2]豎直方向做自由落體運動，因此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。(2)[3]由豎直方向的自由落體運動可得，代入數(shù)據(jù)可得?！敬鸢浮竣?1.0②.2.0③.9.7【歸納總結(jié)】解此類型題時最容易犯的錯誤就是將圖甲中的A點當(dāng)做是坐標(biāo)原點(即拋出點)，從而導(dǎo)致全局錯誤，認(rèn)清這個誤區(qū)，解此類題起手就要著重找拋出點．利用從A→B，從B→C時間相等，豎直位移之比是3：5，順理成章找到O為拋出點，問題便迫刃而解．但如果沒有本題豎直位移35之類的巧合，尋找拋出點便有困難，因此就要另辟蹊徑．“解法二”就是充分利用豎直分運動為勻變速運動的特點，從公式Δs＝aT2出發(fā)解出本題．兩者相比較，“解法一”更接近從學(xué)生實驗累積的知識基礎(chǔ)；但“解法二”更具有普遍性，應(yīng)重點掌握．【考點三】實驗操作的分析【典型例題3】在做“研究平拋運動”的實驗中，為了測量小球平拋運動的初速度，實驗用如圖所示的裝置。實驗操作的主要步驟如下：(ⅰ)在一塊平木板上釘上復(fù)寫紙和白紙，將其豎直立于斜槽軌道末端槽口前，木板與槽口之間有一段初始距離d，并保持板面與軌道末端的水平段垂直；(ⅱ)使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，小球撞到木板在白紙上留下痕跡A；(ⅲ)將木板沿水平方向向右平移一段距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，小球撞到木板在白紙上留下痕跡B；(ⅳ)將木板再水平向右平移相同距離x，使小球仍從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，再在白紙上得到痕跡C；(ⅴ)測得A、B、C三點距地面的高度為y1、y2、y3，已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。請回答下列問題：(1)關(guān)于該實驗，下列說法中正確的是________。A．斜槽軌道必須盡可能光滑B．每次小球均須由靜止釋放C．每次釋放小球的位置可以不同D．步驟(ⅰ)初始距離d必須與步驟(ⅲ)中距離x相等(2)根據(jù)上述直接測量的量和已知的物理量可以得到小球平拋的初速度大小的表達(dá)式為v0＝________。(用題中所給字母表示)(3)某同學(xué)做進(jìn)一步的研究，改變小球釋放的初始位置的高度h，每改變一次高度，重復(fù)上述步驟(ⅰ)～(ⅴ)(其他條件不變)，并記錄每次的h、y1、y2、y3。在同一坐標(biāo)系中畫出y1-eq\f(1,h)、y2-eq\f(1,h)、y3-eq\f(1,h)圖像。根據(jù)你的分析，下列哪個圖最接近該同學(xué)的實驗結(jié)果________(圖中直線a表示y1-eq\f(1,h)圖像，直線b表示y2-eq\f(1,h)圖像，直線c表示y3-eq\f(1,h)圖像，假設(shè)斜槽軌道光滑)?！窘馕觥?1)為了保證小球的平拋初速度相等，每次必須使小球從斜槽的同一位置由靜止釋放，斜槽軌道不需要光滑，故A、C錯誤，B正確。步驟(ⅰ)初始距離d與步驟(ⅲ)中距離x無關(guān)，只要保證連續(xù)水平移動的位移x相等，即可由x、y1、y2、y3計算平拋運動的初速度，故D錯誤。(2)在豎直方向上：(y2－y3)－(y1－y2)＝gT2，水平方向上：x＝v0T，可得小球平拋的初速度v0＝xeq\r(\f(g,2y2－y1－y3))。(3)設(shè)小球開始做平拋運動時離地高度為H0，小球到達(dá)木板的平拋運動階段，水平位移為x′＝v0t，到達(dá)木板時距離地面高度為y＝H0－eq\f(1,2)gt2，小球從斜槽上距末端h高處靜止釋放，忽略摩擦力的影響，mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)，由以上分析可得y＝－eq\f(x′2,4)·eq\f(1,h)＋H0，當(dāng)木板水平向右平移時，x′變大，y-eq\f(1,h)圖像斜率的絕對值變大，故C正確?！敬鸢浮?1)B(2)xeq\r(\f(g,2y2－y1－y3))(3)C。【考點四】實驗誤差的分析【典型例題4】(2021·山東濟(jì)南市)利用智能手機(jī)自帶的各種傳感器可以完成很多物理實驗。某同學(xué)利用如圖所示的實驗裝置，結(jié)合手機(jī)的傳感器功能測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，實驗步驟如下：Ⅰ．實驗前用游標(biāo)卡尺測出小球的直徑d＝10.00mmⅡ．實驗裝置中固定軌道AB的末端水平，在軌道末端的安裝一光電門，光電門通過數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連，測量小球離開軌道時的速度.將小球從軌道的某高度處由靜止釋放，小球運動一段時間后，打到豎直記錄屏MN上，記下落點位置。然后通過手機(jī)傳感器的測距功能，測量并記錄小球做平拋運動的水平距離x和豎直下落距離hⅢ．多次改變屏MN的水平距離x，使小球每次都從軌道的同一位置處由靜止釋放，重復(fù)上述實驗，記錄多組x、h數(shù)據(jù)，如下表所示實驗順序12345x(cm)10.015.020.025.030.0x2(×10－2m2)1.002.254.006.259.00h(cm)4.8810.9619.5230.5343.92請根據(jù)上述數(shù)據(jù)，完成下列問題：(1)在答題卡給定的坐標(biāo)紙上做出x2－h(huán)的圖像______；(2)若光電計時器記錄的平均遮光時間t＝0.01s，根據(jù)上述圖像求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮＝______m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)；(3)若實驗中，每次記錄的h值均漏掉了小球的半徑，按照上