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第四章 实验6 研究平抛运动

2023-11-07 来源:榕意旅游网


[考试标准]

知识内容 实验6:研究平抛运动 必考要求 √ 加试要求

1.实验目的

(1)用实验的方法描出平抛运动的轨迹. (2)用实验轨迹求解平抛物体的初速度. 2.实验原理

使小球做平抛运动,利用描迹法描绘小球的运动轨迹,建立坐标系,测出轨迹曲线上某一点1

的坐标x和y,由公式:x=v0t和y=gt2,可得v0=x23.实验器材(以斜槽法为例)

斜槽(带小球)、木板及竖直固定支架、白纸、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺. 4.实验步骤(以斜槽法为例)

(1)按实验原理图甲安装实验装置,使斜槽末端水平.

g. 2y

(2)以水平槽末端端口上小球球心位置为坐标原点O,过O点画出竖直的y轴和水平的x轴. (3)使小球从斜槽上同一位置由静止滚下,把笔尖放在小球可能经过的位置上,如果小球运动中碰到笔尖,就用铅笔在该位置画上一点.用同样方法,在小球运动路线上描下若干点. (4)将白纸从木板上取下,从O点开始连接画出的若干点描出一条平滑的曲线,如实验原理图乙所示.

1.实验注意事项

(1)固定斜槽时,要保证斜槽末端的切线水平,保证小球的初速度水平.

(2)固定木板时,木板必须处在竖直平面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面平行,固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直.

(3)小球每次从斜槽上的同一位置由静止释放,为此,可在斜槽上某一位置固定一个挡板. (4)要在斜槽上适当高度释放小球,使它以适当的水平初速度抛出,其轨迹由木板左上角到达右下角,这样可以减小测量误差.

(5)坐标原点不是槽口的端点,应是小球出槽口时球心在木板上的投影点. (6)计算小球的初速度时,应选距抛出点稍远一些的点为宜,以便于测量和计算. 2.判断平抛运动的轨迹是不是抛物线

(1)原理:若平抛运动的轨迹是抛物线,则当以抛出点为坐标原点建立直角坐标系后,轨迹上各点的坐标具有y=ax2的关系,且同一轨迹上a是一个特定的值. (2)验证方法 方法一:代入法

用刻度尺测量几个点的x、y坐标,分别代入y=ax2中求出常数a,看计算得到的a值在误差范围内是否为一常数. 方法二:图象法

建立y-x2坐标系,根据所测量的各个点的x、y坐标值分别计算出对应y值的x2值,在y-x2坐标系中描点,连接各点看是否在一条直线上,并求出该直线的斜率即为a值. 3.计算平抛运动的初速度 (1)平抛轨迹完整(即含有抛出点)

在轨迹上任取一点,测出该点离原点的水平位移x及竖直位移y,就可求出初速度v0.因x=1

v0t,y=gt2,故v0=x2

g. 2y

(2)平抛轨迹残缺(即无抛出点)

图1

如图1所示,在轨迹上任取三点A、B、C,使A、B间及B、C间的水平距离相等,由平抛运动的规律可知,A、B间与B、C间所用时间相等,设为t,则Δh=hBC-hAB=gt2 所以t=

hBC-hABx

,所以初速度v0==xgt

g

.

hBC-hAB

命题点一 教材原型实验

例1 某校科技活动开展了关于平抛运动的研究学习.

(1)学习小组甲为了探究影响平抛运动水平射程的因素,某同学通过改变抛出点的高度及初速度的方法做了6次实验,实验数据记录如下表:

序号 1 2 3 4 5 6

①若探究水平射程与初速度的关系,可用表中序号为________的三组实验数据进行分析. ②若探究水平射程与高度的关系,可用表中序号为________的三组实验数据进行分析. (2)学习小组乙在探究平抛运动的规律实验时,将小球做平抛运动,用频闪照相机对准方格背景照相,拍摄到了如图2所示的照片,已知每个小方格边长9.8 cm,当地的重力加速度为g=9.8 m/s2.

抛出点的高度(m) 0.20 0.20 0.20 0.45 0.45 0.80 水平初速度(m/s) 2.0 3.0 4.0 2.0 4.0 2.0 水平射程(m) 0.40 0.60 0.80 0.60 1.20 0.80

图2

①若以拍摄的第一点为坐标原点,水平向右和竖直向下为正方向,则没有被拍摄的小球位置坐标为________.

②小球平抛的初速度大小为________.

解析 (1)①探究影响平抛运动水平射程的因素时,若探究水平射程和初速度的关系,应保持高度不变,可用表中序号为1、2、3的三组数据;②若探究水平射程和高度的关系,应保持初速度不变,可用表中序号为1、4、6的三组实验数据;(2)①根据平抛运动的特点,水平方向的坐标为3×2×9.8 cm=58.8 cm,竖直方向y=(1+2+3)×9.8 cm=58.8 cm,故没有被拍

2

摄到的小球位置坐标为(58.8 cm,58.8 cm);②由Δh=gt,得t=2×9.8×10-2= m/s=1.96 m/s.

0.1答案 (1)①1、2、3 ②1、4、6 (2)①(58.8 cm,58.8 cm) ②1.96 m/s

题组阶梯突破

9.8×10-2x

s=0.1 s,v0=9.8t

1.在“研究平抛运动”的实验中,小希同学采用如图3所示的装置来获得平抛运动的轨迹.

图3

(1)为得到一条轨迹,需多次释放小球,每次释放小球的位置________(填“相同”或“任意”).

(2)为了测得小球离开斜槽末端时的速度,该同学需测量的物理量是________. A.小球的质量 B.小球下落的时间

C.斜槽末端距落点间的水平距离和竖直高度 D.斜槽末端距释放点间的水平距离和竖直高度 答案 (1)相同 (2)C

解析 (1)本实验要通过多次重复平抛小球来记录轨迹,所以每次的轨迹必须相同,因此要求每次将小球从轨道同一位置无初速度释放;(2)根据平抛运动规律,水平方向x=v0t,竖直方1

向h=gt2,解得小球离开斜槽末端时的速度v0=x2落点间的水平距离x和竖直高度h,选项C正确.

2.(1)某同学课外研究平抛物体的运动,下列说法正确的是________. A.应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滑下 B.斜槽轨道必须光滑 C.斜槽轨道末端可以不水平

D.要使描出的轨迹更好地反映真实运动,记录的点应适当多一些

E.为了比较准确地描出小球运动的轨迹,应该用一条曲线把所有的点连接起来

(2)该同学在实验中测出水平和竖直方向上的两组物理量Q和S,其数值填表如下,Q和S的单位相同,但没有记下哪组是水平,哪组是竖直的.(g=10 m/s2)

Q S

①上表中Q表示的物理量是________;S表示的物理量是________.

②若上表中Q和S用的都是国际单位制中的单位,则平抛物体的水平初速度为________. 答案 (1)AD (2)①水平位移 竖直位移 ②1.0 m/s

解析 (1)为了能画出平抛运动的轨迹,首先保证小球做的是平抛运动,所以斜槽轨道不一定要光滑,但末端必须是水平的.同时要让小球总是从同一位置自由释放,这样才能找到同一运动轨迹上的几个点,然后将这几个点平滑连接起来.要使描出的轨迹更好地反映真实运动,记录的点应适当多一些.故A、D正确,B、C、E错误.故选AD.

(2)在研究平抛运动实验中测出的两物理量单位相同,那只能是位移,即水平方向位移和竖直方向位移.平抛运动水平方向做匀速直线运动,位移与时间成正比,故Q表示水平位移,则

0.00 0.00 0.10 0.05 0.20 0.20 0.30 0.45 0.40 0.80 0.50 1.25 g

,故需要测量的物理量是斜槽末端距2h

S为竖直位移.由于物体在竖直方向做自由落体运动,故在竖直方向有Δh=gT2,解得T=Δh=g

0.1x0.10 s=0.1 s,则初速度v0== m/s=1.0 m/s. 10T0.1

3.(1)在“研究物体平抛运动”的实验中,可以描绘平抛物体运动轨迹和求物体的平抛初速度,实验简要步骤如下:

A.让小球多次从________位置________释放,记下小球穿过卡片孔的一系列位置

B.安装好器材,注意斜槽末端水平和平板竖直,记下小球在斜槽末端O点时球心在白纸上的投影点的位置和过O点的竖直线,检测斜槽末端水平的方法是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. C.测出曲线上某点的坐标x、y,用v0=________,算出该小球的平抛初速度,实验需要对多个点求v0的值,然后求它们的平均值.

D.取下白纸,以O为原点,以竖直线为轴建立坐标系,用平滑曲线画平抛轨迹 上述实验步骤的合理顺序为________(只排列序号即可)

(2)在做“研究物体平抛运动”实验中,以下那些操作可能引起实验误差________. A.安装斜槽时,斜槽末端切线方向不水平 B.确定Oy轴时,没有用重垂线 C.斜槽不是绝对光滑的,有一定摩擦 D.每次从轨道同一位置释放小球

(3)如图4所示,在“研究物体平抛运动”的实验中,用一张印有小方格的纸记录轨迹,小方格的边长L=1.25 cm,若小球在平抛运动途中的几个位置如图4中的a、b、c、d所示,则小球平抛的初速度的计算式为v0=________(用L、g表示).其值是________(取g=9.8 m/s2),小球在b点的速率是________(保留两位有效数字)

图4

答案 (1)同一 由静止 让小球静止在斜槽的末端,看是否滚动 x(3)2gL 0.70 m/s 0.88 m/s

解析 (1)为了让小球初速度相同,小球每次从斜槽的同一位置由静止释放;为了使初速度水平,则固定斜槽时斜槽的末端需水平,检测斜槽末端水平的方法是让小球静止在斜槽的末端,

g

BADC (2)AB 2y

1

看是否滚动;根据y=gt2得,t=22yx,则v0==xgtg.按照组装器材、进行实验、数据2y

处理的操作顺序,上述实验步骤的合理顺序为BADC.

(2)安装斜槽时,斜槽末端切线方向不水平,小球不能做平抛运动,会引起实验的误差,故A正确;确定Oy轴时,没有用重垂线,会引起实验的误差,故B正确;斜槽不光滑对实验没有影响,只要让小球从斜槽的同一位置由静止释放,保证初速度相等即可,故C、D错误;故选A、B.

(3)在竖直方向上,根据Δy=L=gT2,解得T=得:v0=2×

9.8×1.25×10-2 m/s=0.70 m/s.

3L3

=gL,根据平行四边形定则知:vb=2T2

2v b2 0+vy

L2L

,则初速度为:v0==2gL,代入数据gT

b点的竖直分速度为:vyb==

命题点二 拓展创新实验

90.72+×9.8×1.25×10-2 m/s≈0.88 m/s.

4

例2 试根据平抛运动原理设计“测量弹射器弹丸出射初速度”的实验方法.提供的实验器材有:弹射器(含弹丸,如图5所示)、铁架台(带有夹具)、米尺.

图5

(1)画出实验示意图.

(2)在安装弹射器时应注意:_______________________________________________________. (3)实验中需要测量的物理量(在画出的示意图中用字母标出):________________________________________________________________________. (4)由于弹射器每次射出的弹丸初速度不可能完全相等,在实验中应采取的方法是________________________________________________________________________. (5)计算公式为_________________________________________________________. 解析 (1)如图所示.

(2)安装时要注意弹射器应固定,且弹射器发射方向应保持水平. (3)实验中需测量弹丸射出的水平距离x和弹射器与水平地面的高度差h.

(4)在弹射器高度不变的情况下多次实验,取x1、x2、…、xn的平均值 x作为实验数据.

x

g. 2h

(5)v弹丸=

=x2hg

答案 见解析

题组阶梯突破

4.某同学设计了一个研究平抛运动的实验.实验装置如图6甲所示,A是一块平面木板,在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽(如图6甲中P0P0′、P1P1′、…),槽间距离均为d.把覆盖复写纸的白纸铺贴在硬板B上.实验时依次将B板插入A板的各插槽中,每次让小球从斜轨的同一位置由静止释放.每打完一点后,把B板插入后一槽中并同时向纸面内侧平移距离d.实验得到的小球在白纸上打下的若干痕迹点如图乙所示.

图6

(1)实验前应对实验装置反复调节,直到_________________________________________ ________________________________________________________________________. 每次让小球从同一位置由静止释放,是为了__________________________________________ ________________________________________________________________________. (2)每次将B板向内侧平移距离d,是为了____________________________________________ ________________________________________________________________________. (3)在图乙中绘出小球做平抛运动的轨迹.

答案 (1)斜轨末端水平、A板水平、插槽P0P0′垂直斜轨并在斜轨末端正下方 使小球每次

做平抛运动的初速度都相同 (2)使记录纸上每两点之间的水平距离相等 (3)见解析图 解析 (1)对实验装置反复调节的目的:①斜轨末端水平,以保证小球离开轨道时做平抛运动;②A板水平,保证B板总处于同一高度;③插槽P0P0′垂直斜轨并在斜轨末端正下方,以保证B板在P0P0′时小球的痕迹为抛出点.每次让小球从同一位置由静止释放,是为了保证小球每次以相同初速度做平抛运动.

(2)每次将B板向内侧平移距离d,是为了使记录纸上每两点间的水平距离相等. (3)如图所示.

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