5-3-實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)(人教版2019必修第二冊)(原卷版)

第3節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)【知識梳理】拋體運(yùn)動和平拋運(yùn)動1.拋體運(yùn)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(yùn)動叫作拋體運(yùn)動。2.平拋運(yùn)動：初速度沿水平方向的拋體運(yùn)動。二、實(shí)驗(yàn)原理1.實(shí)驗(yàn)思路：根據(jù)運(yùn)動的合成與分解原理，平拋運(yùn)動可看作沿豎直方向和水平方向的兩個分運(yùn)動的合運(yùn)動。2.實(shí)驗(yàn)方案方案一：用頻閃照相等方法記錄做平拋運(yùn)動的物體經(jīng)過相等時間間隔所到達(dá)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(dú)立分析水平方向和豎直方向的運(yùn)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(yùn)動規(guī)律，再設(shè)法分析另外一個方向的運(yùn)動規(guī)律。三、實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)方案（二）的實(shí)驗(yàn)器材：1.探究平拋運(yùn)動豎直分運(yùn)動特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動水平分運(yùn)動特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟和過程步驟一：如圖甲，探究平拋運(yùn)動豎直方向的運(yùn)動特點(diǎn)。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(yùn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動水平方向的運(yùn)動特點(diǎn)。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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(yùn)動的軌跡。根據(jù)步驟一得出的平拋運(yùn)動在豎直方向分運(yùn)動的規(guī)律，設(shè)法確定“相等的進(jìn)間間隔”。再看相等的時間內(nèi)水平分運(yùn)動的位移，進(jìn)而確定水平分運(yùn)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(shí)驗(yàn)時，兩球在空中的運(yùn)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(yùn)動與B球完全相同，平拋運(yùn)動在豎直方向的運(yùn)動為自由落體運(yùn)動。2.以小球出槽口時球心在白紙上的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸。如圖所示：3.豎直分運(yùn)動為自由落體運(yùn)動，以起點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)動在水平方向上的分運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動。5.由實(shí)驗(yàn)探究可知，平拋運(yùn)動是水平方向的勻速直線運(yùn)動和豎直方向的自由落體運(yùn)動的合運(yùn)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(yùn)動豎直方向的運(yùn)動特點(diǎn)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(yùn)動，產(chǎn)生誤差。4．建立坐標(biāo)系時，坐標(biāo)原點(diǎn)的位置確定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致軌跡上各點(diǎn)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(yùn)動的位置時不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致誤差。7．量取軌跡上各點(diǎn)坐標(biāo)時不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致誤差。【方法突破】【例】如圖甲所示裝置研究平拋運(yùn)動。裝置中，豎直硬板上依次固定著白紙和復(fù)寫紙，MN是一個水平放置、稍微向紙面內(nèi)傾斜且可上下調(diào)節(jié)的擋板。小鋼球從斜槽中某高度由靜止釋放，從斜槽末端Q飛出的鋼球落到擋板上會擠壓復(fù)寫紙，在白紙上留下印記；上下調(diào)節(jié)擋板，通過多次實(shí)驗(yàn)，白紙上會留下鋼球經(jīng)過的多個位置，最終用平滑曲線將其連接，得到鋼球做平拋運(yùn)動的軌跡。下列說法正確的是（）A．安裝斜槽時，應(yīng)保證斜槽末端Q的切線水平B．鋼球與斜槽間的摩擦是造成實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因C．鋼球每次都應(yīng)從斜槽中同一高度由靜止釋放D．移動擋板MN時，其高度必須等距變化【針對訓(xùn)練】(1)為了研究平拋物體的運(yùn)動，可做下面的實(shí)驗(yàn)：如圖甲所示，用小錘擊打彈性金屬片，B球就水平飛出，同時A球被松開，做自由落體運(yùn)動，兩球同時落到地面；在如圖乙所示的實(shí)驗(yàn)中，將兩個完全相同的斜滑道固定在同一豎直面內(nèi)，最下端水平。把兩個質(zhì)量相等的小鋼球從斜面的同一高度由靜止同時釋放，滑道2與光滑水平木板平滑連接，則將觀察到的現(xiàn)象是球1落到水平木板上時恰好擊中球2，這兩個實(shí)驗(yàn)說明________。A．甲實(shí)驗(yàn)只能說明平拋運(yùn)動在豎直方向上做自由落體運(yùn)動B．乙實(shí)驗(yàn)只能說明平拋運(yùn)動在水平方向上做勻速直線運(yùn)動C．不能說明上述規(guī)律中的任何一條D．甲、乙兩個實(shí)驗(yàn)均能同時說明平拋運(yùn)動在水平、豎直方向上的運(yùn)動性質(zhì)(2)關(guān)于“研究物體平拋運(yùn)動”的實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是________。A．小球與斜槽之間有摩擦?xí)龃髮?shí)驗(yàn)誤差B．安裝斜槽時其末端切線應(yīng)水平C．小球必須每次從斜槽上同一位置由靜止開始釋放D．小球在斜槽上釋放的位置離斜槽末端的高度盡可能低一些E．將木板校準(zhǔn)到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直平面平行【鞏固提升】1．(1)在做“研究平拋物體的運(yùn)動”實(shí)驗(yàn)時，除了木板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘之外，下列器材中還需要的是__________。A．游標(biāo)卡尺

B．秒表C．彈簧測力計

D．天平E.坐標(biāo)紙

F.重垂線(2)實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是__________。A．應(yīng)使小球每次從斜槽上相同的位置自由滑下B．要使描出的軌跡更好地反映小球的真實(shí)運(yùn)動，記錄的點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)多一些C．斜槽軌道末端可以不水平D．斜槽軌道必須光滑E.為了比較準(zhǔn)確地描出小球運(yùn)動的軌跡，應(yīng)該用一條曲線把所有的點(diǎn)連接起來(3)甲、乙、丙、丁四位同學(xué)在做這個實(shí)驗(yàn)時，建立的坐標(biāo)系分別如圖A、B、C、D所示，這四位同學(xué)中坐標(biāo)原點(diǎn)選擇正確的是____________（填圖序號）。A．B．C．D．2．在做“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)時，通過描點(diǎn)法畫出小球平拋運(yùn)動的軌跡，并求出平拋運(yùn)動初速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。（1）實(shí)驗(yàn)時將固定有斜槽的木板放在實(shí)驗(yàn)桌上，實(shí)驗(yàn)前要檢查斜槽末端是否水平，請簡述你的檢查方法：________；（2）關(guān)于這個實(shí)驗(yàn)，以下說法正確的是________；A．小球釋放的初始位置越高越好B．實(shí)驗(yàn)前要用重垂線檢查坐標(biāo)紙上的豎線是否豎直C．小球在平拋運(yùn)動時要靠近但不接觸木板（3）在做“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)時，坐標(biāo)紙應(yīng)當(dāng)固定在豎直的木板上，圖中坐標(biāo)紙的固定情況與斜槽末端的關(guān)系正確的是________。3．“頻閃攝影”是研究物體運(yùn)動的一種常見而有效的方法，“頻閃攝影”的重要特點(diǎn)在于照相機(jī)總是每隔一定的時間就對運(yùn)動物體拍攝一次，因此拍攝到物體的圖像是不連續(xù)的，但是我們能夠從這些不連續(xù)的圖像中發(fā)現(xiàn)揭示物體運(yùn)動的規(guī)律。一同學(xué)受此啟發(fā)，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配合頻閃攝像機(jī)設(shè)計了如下實(shí)驗(yàn)，來探究“平拋運(yùn)動的規(guī)律”。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（I）如圖甲所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，為便于觀察，該同學(xué)將兩個顏色不同，其他完全相同的實(shí)心金屬小球放置在實(shí)驗(yàn)裝置上，調(diào)整A、B球的高度，使兩個小球重心在同一高度上。（II）調(diào)整頻閃攝像機(jī)位置，將頻閃攝像機(jī)正對實(shí)驗(yàn)裝置甲所在的位置，并打開攝像功能。（III）用小木槌敲擊彈片，讓A、B兩個小球同時開始運(yùn)動，直至落在實(shí)驗(yàn)臺上。（IV）通過頻閃攝像機(jī)連接打印機(jī)進(jìn)行打印，得到如圖乙所示的圖像，圖像與實(shí)物比例為1：5。（V）在圖乙中沿水平方向和豎直方向建立坐標(biāo)系（坐標(biāo)系圖中未畫出），選擇A球的三個影像C、D、E進(jìn)行測量，得到XCD=XDE=4.00cm，HCD=9.00cm，HDE=11.00cm。（1）下列說法正確的是___________A．該實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明平拋運(yùn)動在豎直方向的分運(yùn)動為自由落體運(yùn)動B．該實(shí)驗(yàn)不能說明小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動C．提升兩球所處平臺的高度，對探究平拋運(yùn)動的規(guī)律沒有影響D．該實(shí)驗(yàn)中小球可以用任意材質(zhì)的小球代替（2）通過測量數(shù)據(jù)可知，該頻閃攝像機(jī)的拍照時間間隔為___________s，小球A拋出時的初速度為___________m/s。（g取10m/s2）4．平拋運(yùn)動的軌跡是曲線，比直線運(yùn)動復(fù)雜。我們可以按照把復(fù)雜的曲線運(yùn)動分解為兩個相對簡單的直線運(yùn)動的思路，分別研究物體在豎直方向和水平方向的運(yùn)動特點(diǎn)。（1）如圖1所示，用小錘打擊彈性金屬片，A球沿水平方向拋出，同時B球由靜止自由下落，可觀察到兩小球同時落地；改變小球距地面的高度和打擊的力度，多次實(shí)驗(yàn)，都能觀察到兩小球同時落地。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，______（選填“能”或“不能”）判斷出A球在豎直方向做自由落體運(yùn)動；______（選填“能”或“不能”）判斷出A球在水平方向做勻速直線運(yùn)動。（2）如圖2所示，將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PO滑下后從O點(diǎn)飛出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板一側(cè)較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側(cè)面會在白紙上擠壓出一個痕跡點(diǎn)。移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復(fù)，白紙上將留下一系列痕跡點(diǎn)。①為了保證鋼球從O點(diǎn)水平飛出的初速度是一定的，下列實(shí)驗(yàn)條件必須滿足的是______。A．斜槽軌道光滑B．斜槽軌道末段水平C．每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球②一位同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時，忘記了標(biāo)記平拋運(yùn)動的拋出點(diǎn)O，只記錄了A、B、C三點(diǎn)，于是就取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立了如圖4所示的坐標(biāo)系。平拋軌跡上的這三點(diǎn)坐標(biāo)值圖中已標(biāo)出。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)判斷，A點(diǎn)______（填“是”或“不是”）平拋運(yùn)動的拋出點(diǎn)。小球平拋的初速度為_____m/s。（取，計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）。5．在研究平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)中，(1)為減小空氣阻力對小球運(yùn)動的影響，應(yīng)采用______A．空心小鐵球B．實(shí)心小鐵球C．實(shí)心小木球D．以上三種小球都可以(2)安裝實(shí)驗(yàn)裝置的過程中，斜槽末端的切線必須是水平的，這樣做的目的是______A．保證小球飛出時，初速度水平B．保持小球飛出時，速度既不太大，也不太小C．保證小球在空中運(yùn)動的時間每次都相等D．保證小球運(yùn)動的軌跡是一條拋物線(3)某次實(shí)驗(yàn)中用頻閃照相技術(shù)拍下的兩小球運(yùn)動的頻閃照片如圖所示，拍攝時，光源的頻閃頻率為10Hz，a球從A點(diǎn)水平拋出的同時，b球自B點(diǎn)開始自由下落，背景的小方格為相同的正方形。重力加速度g取10m/s2，不計阻力。根據(jù)照片顯示的信息，下列說法中正確的是________A．只能斷定a球的運(yùn)動是水平方向的勻速直線運(yùn)動B．只能確定a球沿豎直方向的運(yùn)動是自由落體運(yùn)動C．不能確定a球沿豎直方向的運(yùn)動是自由落體運(yùn)動D．可以確定a球沿水平方向的運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動和豎直方向的自由落體運(yùn)動的合成(4)根據(jù)照片和已知信息可求出a球的水平速度大小為____m/s；當(dāng)a球與b球運(yùn)動了______s時它們之間的距離最小。6．在做“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)時：（1）鋼球拋出點(diǎn)的位置必須及時記錄在白紙上，然后從這一點(diǎn)畫水平線和豎直線作為x軸和y軸，豎直線是用________來確定的。（2）某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)得到的軌跡如圖所示，由軌跡可知，豎直距離yOA∶yAB∶yBC＝________，tOA∶tAB∶tBC＝________，這表明豎直方向是初速度為________的________運(yùn)動。（3）該同學(xué)在軌跡上選取間距較大的幾個點(diǎn)，測出其坐標(biāo)，并在直角坐標(biāo)系內(nèi)繪出了y－x2圖像，此平拋物體的初速度v0＝0.49m/s，則豎直方向的加速度g＝________m/s2。（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）7．頻閃照相是研究變速運(yùn)動常用的實(shí)驗(yàn)手段。某物理小組利用圖甲所示的裝置探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)。他們分別在該裝置正上方和右側(cè)正前方安裝了頻閃儀A、B并進(jìn)行了拍攝，頻閃照相的時間間隔為0.3s。得到的頻閃照片如圖乙所示，O為拋出點(diǎn)，P為運(yùn)動軌跡上某點(diǎn)，b圖中相鄰兩小球的間距為60cm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析下列問題。（1）圖乙中，頻閃儀A所拍攝的頻閃照片為______，頻閃儀B所拍攝的頻閃照片為______。（填“a”或“b”）；（2）小球自O(shè)點(diǎn)拋出時水平初速度______m/s。8．三個同學(xué)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了探究平拋運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)：（1）甲同學(xué)采用如圖甲所示的裝置。用小錘擊打彈性金屬片，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）乙同學(xué)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(fā)射小鐵球P、Q，其中N的末端可看做與光滑的水平板相切，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在軌道末端的水平初速度v0相等?，F(xiàn)將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，然后切斷電源，使兩小球能以相同的初速度10同時分別從軌道M