《實驗：探究平拋運動的特點》（教師版）導(dǎo)學(xué)案

學(xué)而優(yōu)教有方PAGEPAGE18第3節(jié)實驗：探究平拋運動的特點【知識梳理】拋體運動和平拋運動1.拋體運動：以一定的速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力的作用，這時的運動叫作拋體運動。2.平拋運動：初速度沿水平方向的拋體運動。二、實驗原理1.實驗思路：根據(jù)運動的合成與分解原理，平拋運動可看作沿豎直方向和水平方向的兩個分運動的合運動。2.實驗方案方案一：用頻閃照相等方法記錄做平拋運動的物體經(jīng)過相等時間間隔所到達的位置，獲得水平方向和豎直方向的位移隨時間變化的具體數(shù)據(jù)，便可以獨立分析水平方向和豎直方向的運動規(guī)律。方案二：在水平和豎直兩個方向中，先研究其中一個方向的運動規(guī)律，再設(shè)法分析另外一個方向的運動規(guī)律。三、實驗器材實驗方案（二）的實驗器材：1.探究平拋運動豎直分運動特點的實驗器材：小錘一個、兩個相同的小鐵球、平拋豎落儀一個。2.探究平拋運動水平分運動特點的實驗器材：斜槽、鋼球、白紙、復(fù)寫紙、鉛垂線、鉛筆、平拋鐵架臺(有背板及水平放置的可上下調(diào)節(jié)的擋板)。四、實驗步驟和過程步驟一：如圖甲，探究平拋運動豎直方向的運動特點。用小錘打擊彈性金屬片后，A球沿水平方向拋出，同時B球被松開，自由下落。A、B兩球同時開始運動。觀察兩球哪個先落地。改變小球距地面的高度和打擊的力度，重復(fù)這個實驗。實驗時，也可以用耳朵“聽”來判斷兩球落地時刻的先后。注意事項：1.用小錘水平擊打在彈性金屬片中央位置，確保A球能夠沿水平方向飛出；2.調(diào)節(jié)好平拋運動演示器，確保用小錘擊打彈性金屬片的同時B球被松開，自由下落；3.A、B兩小球選擇體積小、質(zhì)量大，大小、材料、質(zhì)量完全相同的小球；4.確保A、B兩球運動前高度相同，且落到同一水平面上。步驟二：如圖乙，探究平拋運動水平方向的運動特點。在圖乙所示的裝置中，斜槽M末端水平。鋼球在斜槽中從某一高度滾下，從末端飛出后做平拋運動。在裝置中有一個水平放置的可上下調(diào)節(jié)的傾斜擋板N，鋼球飛出后，落到擋板上。實驗前，先將一張白紙和復(fù)寫紙固定在裝置的背板上。鋼球落到傾斜的擋板上后，就會擠壓復(fù)寫紙，在白紙上留下印跡。上下調(diào)節(jié)擋板N，通過多次實驗，在白紙上記錄鋼球所經(jīng)過的多個位置。最后，用平滑曲線把這些印跡連接起來，就得到鋼球做平拋運動的軌跡。根據(jù)步驟一得出的平拋運動在豎直方向分運動的規(guī)律，設(shè)法確定“相等的進間間隔”。再看相等的時間內(nèi)水平分運動的位移，進而確定水平分運動的規(guī)律。注意事項：1.調(diào)節(jié)鐵架臺，通過觀察鉛垂線，使鐵架臺底座水平，從而使擋板N水平，背板在豎直面內(nèi)；2.斜槽的末端必須調(diào)節(jié)水平；3.鋼球必須從同一位置滾下；4.鋼球應(yīng)選比較小的，使記錄的位置盡量準(zhǔn)確。五、數(shù)據(jù)處理1.觀察發(fā)現(xiàn)，A、B兩球同時落地。改變小球距地面的高度和打擊的力度，重復(fù)實驗時，兩球在空中的運動時間和A球的水平初速度大小發(fā)生改變，但A、B兩球總是同時落地。說明A球在豎直方向的運動與B球完全相同，平拋運動在豎直方向的運動為自由落體運動。2.以小球出槽口時球心在白紙上的投影點為坐標(biāo)原點，以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸。如圖所示：3.豎直分運動為自由落體運動，以起點開始，相鄰相等時間間隔的位移之比為1∶3∶5∶9∶…，在y軸上從O點起，據(jù)此量出各段位移，即可確定“相等的時間間隔”。4.根據(jù)運動的合成與分解，測出相等時間間隔內(nèi)的水平位移，從而確定平拋運動在水平方向上的分運動是勻速直線運動。5.由實驗探究可知，平拋運動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。六、誤差分析1．A、B兩球由于不完全相同，因而在空中所受阻力不同，產(chǎn)生誤差。2．探究平拋運動豎直方向的運動特點時，用小錘擊打彈性金屬片時，A球不能完全水平飛出，B球不能立即被松開、同時下落，產(chǎn)生誤差。3．安裝斜槽時，其末端切線不水平，導(dǎo)致小球離開斜槽后不做平拋運動，產(chǎn)生誤差。4．建立坐標(biāo)系時，坐標(biāo)原點的位置確定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致軌跡上各點的坐標(biāo)不準(zhǔn)確，產(chǎn)生誤差。5．小球每次自由滾下時起始位置不完全相同，導(dǎo)致軌跡出現(xiàn)誤差。6．確定小球運動的位置時不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致誤差。7．量取軌跡上各點坐標(biāo)時不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致誤差。【方法突破】【例】如圖所示，在研究平拋運動時，小球A沿軌道滑下，離開軌道末端（末端水平）時撞開輕質(zhì)接觸式開關(guān)S，被電磁鐵吸住的小球B同時自由落下，改變整個裝置的高度H做同樣的實驗。下列說法正確的是（）A．兩球軌跡不同，B球先落地B．實驗現(xiàn)象可以說明A球離開軌道后，豎直方向做的是自由落體運動C．實驗現(xiàn)象可以說明A球離開軌道后，水平方向做的是勻速直線運動D．改變A球的釋放點，兩小球落地時間不同【答案】B【詳解】無論改變整個裝置的高度H，還是改變A球的釋放點做同樣的實驗，得出的結(jié)果是：每次兩個小球都會同時落地，說明兩個小球在豎直方向上運動狀態(tài)相同，A小球在豎直方向上也做自由落體運動，而水平方向上運動，無法比較。故選B?！踞槍τ?xùn)練】在“探究平拋運動的特點”的實驗中，用如圖所示裝置描繪軌跡。實驗前，將斜槽M的末端調(diào)節(jié)水平，再將一張白紙和復(fù)寫紙固定在背板上。N是可上下調(diào)節(jié)的一個水平放置的擋板，擋板與背板之間成“V”夾角。鋼球飛出后落到N上，就會擠壓復(fù)寫紙留下痕跡。上下調(diào)節(jié)擋板N，通過多次實驗，在白紙上記錄鋼球所經(jīng)過的多個位置。關(guān)于實驗過程，下列說法正確的是（）A．鋼球可以從斜槽上不同位置由靜止釋放B．重垂線只是用來檢驗背板是否豎直C．白紙固定在復(fù)寫紙的外面D．在描出的軌跡上，從拋出點開始依次取豎直方向比值為1∶3∶5的三段位移，則對應(yīng)水平方向的三段位移之比接近1∶1∶1【答案】D【詳解】A．因為要畫同一運動的軌跡，必須每次釋放小球的位置相同，且由靜止釋放，以保證獲得相同的初速度，A錯誤；B．重垂線的作用是確保背板與白紙是在豎直面內(nèi)，B錯誤；C．鋼球飛出后落到N上，就會擠壓復(fù)寫紙留下痕跡，白紙固定在復(fù)寫紙的里面，C錯誤；D．因為平拋運動在豎直方向上做的是自由落體運動，從拋出點開始依次取豎直方向比值為1∶3∶5的三段位移，說明這三段的運動時間是相等的，而水平方向是勻速直線運動，則平方向的三段位移之比接近1∶1∶1，D正確。故選D。【對點檢測】隨堂檢測1．平拋物體的運動規(guī)律可以概括為兩點：①水平方向做勻速直線運動；②豎直方向做自由落體運動。如圖所示為研究平拋運動的實驗裝置，現(xiàn)把兩個小鐵球分別吸在電磁鐵C、E上，然后切斷電磁鐵C的電源，使一個小鐵球從軌道A射出，并在射出時碰到碰撞開關(guān)S，使電磁鐵E斷電釋放它吸著的小鐵球，兩鐵球同時落到地面。這個實驗（）A．只能說明上述規(guī)律中的第①條B．只能說明上述規(guī)律中的第②條C．不能說明上述規(guī)律中的任何一條D．能同時說明上述兩條規(guī)律【答案】B【詳解】由于左端小鐵球平拋的同時，右端小鐵球開始做自由落體，且兩球同時落地，說明平拋的小鐵球在豎直方向上和右端小鐵球做同樣的運動，即做自由落體運動，但無法說明平拋小鐵球在水平方向的運動，所以B正確；ACD錯誤；故選B。2．某同學(xué)設(shè)計了一個探究平拋運動特點的家庭實驗裝置。如圖所示，在水平桌面上放置一個斜面，把桌子搬到墻的附近，把白紙和復(fù)寫紙附在墻上。第一次讓桌子緊靠墻壁，從斜面上某一位置由靜止釋放鋼球，在白紙上得到痕跡A，以后每次將桌子向后移動相同的距離x，每次都讓鋼球從斜面的同一位置滾下，重復(fù)剛才的操作，依次在白紙上留下痕跡B、C、D，測得AB、BC、CD間的距離分別為y1、y2和y3，設(shè)小鋼球離開水平桌面運動后運動到痕跡B、C、D的時間分別為t1、t2和t3.下列關(guān)于本實驗的操作或判斷錯誤的是（）A．實驗前應(yīng)對實驗裝置反復(fù)調(diào)節(jié)，直到桌面與重錘線垂直B．每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了具有相同的水平初速度C．如果操作與測量正確，可得y1∶y2∶y3=1∶2∶3D．如果操作與測量正確，可得t1∶t2∶t3=1∶2∶3【答案】C【詳解】A．由于要使小球做平拋運動，則小球沿桌面運動時速度應(yīng)水平，即桌面需水平，故A正確，不符題意；B．由于需使小球每次做平拋運動時軌跡相同即平拋運動的初速度需相同，故需每次都讓鋼球從斜面的同一位置滾下，故B正確，不符題意；CD．由于每次將桌子向后移動相同的距離x，可知每次與桌面的水平距離之比為則由可知t1∶t2∶t3=1∶2∶3根據(jù)可知AB、AC、AD的位移之比為1：4：9，所以有y1∶y2∶y3=1∶3∶5故C錯誤，符合題意，D正確，不符題意。本題選錯誤的，故選C。課后檢測3．用小錘擊打彈性金屬片后，一小球做平拋運動，同時另一小球做自由落體運動．兩球運動的頻閃照片如圖所示，最上面與最下面小球位置間的實際豎直距離為1m，照片中反映的實際情況是（）A．自由下落小球相鄰位置間的位移相等B．平拋運動小球相鄰位置間的位移相等C．自由下落小球相鄰位置間的距離一定大于0.1mD．平拋運動小球相鄰位置間的水平距離一定大于0.1m【答案】D【詳解】A．小球做自由落體運動，相等時間內(nèi)的位移增大，故A錯誤；B．平拋運動小球在豎直向相同時間內(nèi)位移增大，則相鄰位置間的位移不相等，故B錯誤；C．1米對于10等分的話為0.1m，但自由下落相同時間內(nèi)的位移增大，則剛下落時的距離要小于0.1m，則C錯誤；D．由圖可知水平長度要大于豎直高度，而水平向為勻速直線運動，則為距離平分，要大于0.1m，故D正確．4．在探究平拋運動的規(guī)律時，可以選用如圖所示的各種裝置圖，則以下操作合理的是（）A．選用裝置圖甲研究平拋物體的豎直分運動時，可多次改變小球距地面的高度，但必須控制每次打擊的力度不變B．選用裝置圖乙并要獲得穩(wěn)定的細水柱顯示出平拋運動的軌跡，豎直管上端A一定要低于水面C．選用裝置圖丙并要獲得鋼球做平拋運動的軌跡，每次不一定從斜槽上同一位置由靜止釋放鋼球D．選用裝置圖丙并要獲得鋼球做平拋運動的軌跡，要以槽口的端點為原點建立坐標(biāo)【答案】B【詳解】A、選用裝置圖甲研究平拋物體豎直分運動，應(yīng)該是聽聲音的方法判斷小球是否同時落地，與每次打擊的力度無關(guān)，故A錯誤；B、豎直管內(nèi)與大氣相通，為外界大氣壓強，豎直管在水面下保證豎直管上出口處的壓強為大氣壓強．因而另一出水管的上端口處壓強與豎直管上出口處的壓強有恒定的壓強差，保證另一出水管出水壓強恒定，從而水速度恒定．如果豎直管上出口在水面上，則水面上為恒定大氣壓強，因而隨水面下降，出水管上口壓強降低，出水速度減?。还蔅正確；C、選用裝置圖丙要獲得鋼球的平拋軌跡，每次一定要從斜槽上同一位置由靜止釋放鋼球，這樣才能保證初速度相同，故C錯誤；D、選用裝置丙建立坐標(biāo)系時，以斜槽末端端口上方小球球心處為坐標(biāo)原點，故D錯誤.故選B.5．圖為一小球做平拋運動的頻閃照片。第1次閃光時小球位于O點，第4次、第8次閃光時小球分別位于A、B兩點。已知OA的水平距離為x1，AB的水平距離為x2，頻閃儀的閃光周期為T。根據(jù)照片所測量的物理量，可得到小球水平速度v0的大小為（）A． B．C． D．【答案】D【詳解】做平拋運動的小球，在水平方向上的分運動為勻速直線運動，由圖可知；解得或選項D正確，ABC錯誤。故選D。6．如圖所示，兩個相同的弧形軌道M、N，分別用于發(fā)射小鐵球P、Q，兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D，電磁鐵E裝在與軌道M最低點等高處的某一|水平位置。調(diào)節(jié)C、D高度，使，將小鐵球P、Q、R分別吸在電磁鐵C、D、E上，然后同時切斷C、D電源，P、Q從弧形軌道滾下，當(dāng)小球P運動到圓弧末端時由裝置切斷E電源，小鐵球R開始下落，改變弧形軌道M的高度以及電磁鐵E的位置，再進行若干次調(diào)整，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，P、Q、R三球同時在水平面相撞。下列說法和做法正確的是（）A．實驗說明小鐵球P離開軌道做平拋運動在豎直方向的分運動是自由落體運動B．實驗說明小鐵球P離開軌道做平拋運動在水平方向的分運動是勻速直線運動C．若實驗時發(fā)現(xiàn)小鐵球P、R在空中相撞而不能同時擊中水平的小鐵球Q，為了使三球同時相撞，可以適當(dāng)將電磁鐵E向右移動一段距離D．若實驗時發(fā)現(xiàn)小鐵球P、R在空中相撞而不能同時擊中水平的小鐵球Q，為了使三球同時相撞，可以適當(dāng)將電磁鐵E向左移動一段距離【答案】ABC【詳解】AB．小鐵球P、Q能以相同的初速度同時分別從軌道M、N的下端射出，可以看到P、Q兩球相碰，可知小鐵球P在水平方向上的運動情況與Q球的運動情況相同，即小鐵球P離開軌道做平拋運動的水平方向的分運動是勻速直線運動。當(dāng)小鐵球P運動到圓弧末端時，小鐵球R開始下落，多次實驗發(fā)現(xiàn)，P、Q、R三球同時在水平面相撞，說明小鐵球P做平拋運動的豎直方向的分運動是自由落體運動。選項AB正確；CD．若實驗時發(fā)現(xiàn)小鐵球P、R在空中相撞而不能同時擊中水平的小鐵球Q，為了使三球同時相撞，必須增大R球到Q球的水平距離，因此可以適當(dāng)將電磁鐵E向右移動一些，選項C正確，D錯誤。故選ABC。7．某同學(xué)在“探究平拋運動的規(guī)律”時做了以下操作。（1）先采用圖甲所示裝置。用小錘打擊彈性金屬片，金屬片把球A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。改變小錘打擊力的大小，即可改變球A被彈出時的速度，兩球仍然同時落地，這說明平拋運動豎直方向的分運動是________。（2）接著他用頻閃照相機得到小球做平拋運動的閃光照片，圖乙是照片的一部分，正方形小方格每邊長L=10cm，則小球運動中水平分速度的大小是_________m/s。（g取10m/s2）【答案】自由落體運動2【詳解】（1）[1]改變小錘打擊力的大小，即可改變球A被彈出時的速度，兩球仍然同時落地，說明平拋運動在豎真方向上就是自由落體運動；（2）[2]在豎直方向上，根據(jù)得小球平拋運動的初速度為8．研究平拋運動的實驗裝置如圖甲所示，實驗過程中用頻閃照相法來獲取小球做平拋運動時不同時刻的位置。（1）某次實驗過程中獲得連續(xù)三個時刻小球的位置如圖乙所示，若頻閃照相機的頻率，用刻度尺測得照片上、，照片上物體影像的大小與實際物體的實際大小之比為，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萠______（用字母表示）=_____計算結(jié)果保留至小數(shù)點后兩位。（2）要測出小球離開斜槽末端的速度，還需要測量的物理量是___________，使用的儀器是_________。（3）若實驗中，斜槽末端切線不水平，則僅從這一因素的影響分析，重力加速度的測量值_______填“偏大”“偏小”或“沒有影響”，小球離開斜槽末端的速度的測量值________填“偏大”“偏小”或“沒有影響”?！敬鸢浮?.60A、B兩點間的水平距離刻度尺沒有影響偏小【詳解】(1)[1][2]由題意可知小球從A到B的時間與從B到C的時間相等，小球在豎直方向做勻加速直線運動，根據(jù)以及照片上物體影像的大小與實際物體的實際大小之比，可得即代入數(shù)據(jù)得(2)[3]要測出小球離開斜樓末端的速度，還需要測量A、B兩點間的水平距離或B、C兩點間的水平距離x，或A、C兩點間的水平距離，即[4]需要用到的儀器是刻度尺。(3)[5]無論斜槽末端切線是否水平，小球均做拋體運動，豎直方向的分運動為勻加速直線運動，水平方向的運動不會影響豎直方向的運動，故僅從“斜槽末端切線不水平”這一因素的影響分析，重力加速度的測量值沒有影響。[6]若斜槽末端切線不水平，則利用計算得到的是小球離開斜槽末端時速度在水平方向的分速度，它與小球離開斜槽末端時的速度相比較，測量值偏小。【提升訓(xùn)練】11．如圖甲所示，用小錘輕擊彈性金屬片，小球A向水平方向飛出，同時小球B被松開，豎直向下運動。（1）用不同的力度擊打彈性金屬片，可以觀察到小球A的運動軌跡______，小球B的運動軌跡______。（均填“改變”或“不變”）（2）用頻閃照相的方法研究小球A、B的運動情況，得到它們在運動過程中的頻閃照片如圖乙所示。從照片分析可知，小球A______。（填選項前的字母）A．在水平方向做勻速直線運動B．在水平方向做勻加速直線運動C．在豎直方向做勻速直線運動D．在豎直方向做勻加速直線運動【答案】改變不變AD【詳解】（1）[1]因為用不同的力度擊打彈性金屬片，小球A水平方向的速度會發(fā)生變化，水平的位移也會發(fā)生變化，所以其運動軌跡會發(fā)生變化；[2]因為小球B被松開，是豎直向下運動。所以水平方向用不同的力度擊打彈性金屬片，對其沒有影響，都是自由落體運動，故其運動軌跡不會發(fā)生變化；（2）[3]AB．由圖乙的運動過程中的頻閃照片可知，相等時間內(nèi)小球A的水平位移都相等，故其水平方向做勻速直線運動，B錯誤，A正確；CD．由圖乙的運動過程中的頻閃照片可知，相等時間內(nèi)小球A的豎直方向的位移均勻增大，故其豎直方向做勻加速直線運動，C錯誤，D正確。故選AD。12．（1）在“研究平拋物體運動”的實驗中，可以描繪平拋物體運動軌跡和求物體的平拋初速度。實驗簡要步驟如下；A．讓小球多次從__________（填“相同”或“不同”）位置上滾下，通過小球與擋條和平板的撞擊，記下小球平拋運動軌跡上的一系列位置；B．安裝好器材，注意把斜槽末端調(diào)_______（填“水平”或“豎直”）和平板豎直，記下斜槽末端點和過點的豎直線；C．測出曲線上某點的坐標(biāo)，用計算式_______（用表示）算出該小球的平拋初速度，實驗需要對多個點求的值，然后求它們的平均值；D．取下白紙，以為原點，以豎直線為軸建立坐標(biāo)系，用平滑曲線畫出平拋軌跡。上述實驗步驟的合理順序是_________（只填排列序號即可）。（2）在“研究平拋物體運動”的實驗中，小球與斜槽間的摩擦力對描繪平拋物體運動的軌跡_____（填“有”或“沒有”）影響。（3）如圖所示，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，小方格的邊長。若小球在平拋運動途中的幾個位置如圖所示，則小球平拋的初速度的計算式為_____________（用表示），其值是________（取）；小球在點豎直方向速度的大小是__________?！敬鸢浮肯嗤紹ADC沒有【詳解】（1）[1]為保證小球每次平拋運動的初速度相同，小球要從相同位置由靜止?jié)L下；[2]為保證小球做平拋運動，要注意吧斜槽末端調(diào)水平；[3]根據(jù)平拋運動規(guī)律可得；聯(lián)立解得[4]實驗步驟的合理順序是：BADC（2）[5]只需要小球從斜槽同一高度無初速度滾下，到達斜槽末端水平速度相同即可，小球與斜槽間的摩擦力對描繪平拋物體運動的軌跡沒有影響。（3）[6]由于四點相鄰兩點的水平距離相等，故時間間隔相同，設(shè)為T，在豎直方向有水平方向有聯(lián)立解得[7]帶入數(shù)據(jù)解得[8]小球在b點豎直方向速度的大小為聯(lián)立解得13．三個同學(xué)根據(jù)不同的實驗條件，進行了“探究平拋運動規(guī)律”的實驗：（1）甲同學(xué)采用如圖（1）所示的裝置。用小錘打擊彈性金屬片，金屬片把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，改變小錘打擊的力度，即改變A球被彈出時的速度，觀察到的現(xiàn)象應(yīng)是___________，這說明___________；（2）乙同學(xué)采用如圖（2）所示的裝置。兩個相同的弧形軌道M、N，分別用于發(fā)射小鐵球P、Q，其中N的末端與可看作光滑的水平板相切；兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D；調(diào)節(jié)電磁鐵C、D的高度，使AC=BD，從而保證小鐵球P、Q在軌道出口處的水平初速度v0相等，現(xiàn)將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，然后切斷電源，使兩小鐵球能以相同的初速度v0同時分別從軌道M、N的下端射出。實驗可觀察到的現(xiàn)象應(yīng)是___________。僅僅改變弧形軌道M的高度，重復(fù)上述實驗，仍能觀察到相同的現(xiàn)象，這說明___________。（3）丙同學(xué)采用頻閃攝影的方法拍攝到如圖（3）所示的“小球做平拋運動”的照片。圖中每個小方格的邊長為10cm，則由圖可求得拍攝時每___________s曝光一次，該小球平拋的初速度大小為___________m/s（g取10m/s2）?！敬鸢浮績汕蛲瑫r落地平拋運動在豎直方向上是自由落體運動P、Q二球相碰平