(新高考)高考物理一轮复习课时练习第4章实验五《探究平抛运动的特点》(含解析)

这是一份(新高考)高考物理一轮复习课时练习第4章实验五《探究平抛运动的特点》(含解析)，共10页。试卷主要包含了实验思路，探究平抛运动竖直分运动的特点，探究平抛运动水平分运动的特点，8 m/s2)，196,9等内容，欢迎下载使用。


1.实验思路
(1)思路：把复杂的曲线运动分解为不同方向上两个相对简单的直线运动。
(2)平抛运动的分解方法
由于物体是沿着水平方向抛出的，在运动过程中只受到竖直向下的重力作用，可尝试将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动。
2.探究平抛运动竖直分运动的特点
(1)实验按图示1装置进行实验，小钢球A、B位于相同高度处，用小锤击打弹性金属片，金属片C受到小锤的击打，向前推动A，小钢球A具有水平初速度，做平抛运动，同时松开小钢球B，自由下落，做自由落体运动。
图1
(2)分析
仔细观察可知，不管两个小钢球距地面的高度为多大，或小锤击打金属片的力度多大(小锤击打金属片的力度越大，小钢球A水平抛出的初速度越大)，两小钢球每次都同时落地，说明两小钢球在空中运动的时间相等，即做平抛运动的物体在竖直方向上的分运动是自由落体运动。
(3)结论
做平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动。
3.探究平抛运动水平分运动的特点
(1)实验
图2
在图示2的实验装置中，两个相同的弧形轨道M、N，上端分别装有电磁铁C、D；调节C、D的高度，使AC＝BD。将小铁球P、Q分别吸在C、D上，然后切断电源，使球以相同的初速度v0分别同时从M、N的末端水平射出，其中与轨道N相切的水平面光滑。
实验发现两铁球在P球落地时相遇。只增大或减小轨道M的高度再进行实验，结果两铁球总是在P球落地时相遇。
(2)分析
只改变轨道M的高度，相当于只改变P球做平抛运动的竖直高度，发现P、Q两球总是在P球落地时相遇，即P球在水平方向上的运动不因P球在竖直方向上运动时间的长短而改变，总是和在水平面上做匀速直线运动的Q球有完全相同的运动情况。
(3)结论
做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动；平抛运动的各分运动具有独立性。
1.频闪照相法
(1)实验现象：
图3
利用频闪照相机得到物体做平抛运动与自由落体运动对比的频闪照片如图3所示。
(2)现象分析
①在竖直方向上，两球运动经过相等的时间，下落相同的高度，即在竖直方向上的运动是相同的，都是自由落体运动。
②在水平方向上，平抛运动在通过相等的时间内前进的距离相同，即水平方向上的运动是匀速直线运动。
(3)理论分析
①水平方向：初速度为v0，物体不受力，即Fx＝0，物体由于惯性而做匀速直线运动。
②竖直方向：初速度为零，物体受重力作用，即Fy＝mg，a＝g，物体做自由落体运动。
2.描迹法
命题点一 教材原型实验
【例1】 (2020·山东泰安市月考)某学习小组用实验探究“平抛运动规律”。
图4
(1)甲同学采用如图4甲所示的装置。用小锤打击弹性金属片，金属片把A球沿水平方向弹出，同时B球被松开，自由下落，观察到两球同时落地，改变小锤打击的力度，即改变A球被弹出时的速度，两球仍然同时落地，这说明____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(2)乙同学采用如图乙所示的装置。用两个相同的弧形轨道M、N分别用于发射小铁球 P、Q，其中N的末端与光滑水平面相切，两轨道上端分别装有电磁铁C、D，调节电磁铁C、D的高度，使AC＝BD，现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，切断电源，使两小铁球同时分别从轨道M、N的下端射出。实验可观察到的现象应是______________________；保持AC＝BD，仅仅改变弧形轨道M在竖直方向的位置，重复上述实验，仍能观察到相同的现象，这说明__________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(3)丙同学采用频闪摄影的方法拍摄到如图丙所示的“小球做平抛运动”的照片。图中每个小方格的边长为2.5 cm，分析可知，位置1________(填“是”或“不是”)平抛运动的起点；该做小球做平抛运动的初速度大小为________m/s(g取10 m/s2)。
答案 (1)平抛运动在竖直方向上是自由落体运动
(2)P、Q两球相碰 平抛运动在水平方向上是匀速直线运动 (3)不是 1
解析 (1) 在打击金属片时，A小球做平抛运动，B小球同时做自由落体运动，结果同时落地，则说明平抛运动竖直方向是自由落体运动。
(2)让两小球从相同的弧形轨道上相同高度滚下，从而使两小球同时滚离轨道并具有相同的速度，小球P做平抛运动，小球Q做匀速直线运动，经一段时间，P、Q两球相碰。改变P球滚下的高度时，仍能相碰，则说明平抛运动水平方向总是匀速直线运动。
(3)平抛运动可看成竖直方向自由落体运动与水平方向匀速直线运动，如果位置1是平抛运动的起点，根据初速度为零的匀变速运动的特点，在竖直方向上相等的时间内位移之比为1∶3∶5∶7，由图可知是1∶2∶3 ，所以1不是平抛运动的起点；设每个小方格的边长为l，闪光时间间隔为t，在竖直方向Δh＝gt2，可得t＝eq \r(\f(l,g))， 水平方向x＝v0t，得v0＝eq \f(2l,\r(\f(l,g)))＝2eq \r(gl)＝1 m/s。
【例2】 (2020·山西大同一中月考)(1)在“探究平抛运动的特点”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：
图5
A.让小钢球多次从________位置上滚下，记下小球运动途中经过的一系列位置；
B.安装好器材，注意斜槽末端水平和木板竖直，记下小球在斜槽末端时球心在木板上的投影点O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y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是________(只排列序号即可)。
(2)在另一次实验中将白纸换成方格纸，每小格的边长L＝5 cm，通过实验，记录了小球在运动途中的三个位置，如图6所示，则该小球做平抛运动的初速度为________m/s；B点的竖直分速度为________m/s(g取10 m/s2)。
图6
答案 (1)A.同一B.将小球放到斜槽末端任一位置均不动 C.xeq \r(\f(g,2y)) BADC (2)1.5 2
解析 (1)A：让小球多次从同一位置上静止滚下，目的是保证小球多次做平抛运动的初速度相等；B：检测斜槽末端水平的方法是将小球放到斜槽末端任一位置均不动；C：平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动，竖直方向的自由落体运动，水平方向有：x＝v0t，竖直方向有：y＝eq \f(1,2)gt2，联立解得v0＝xeq \r(\f(g,2y))。实验中先组装器材，步骤为B，再进行实验，步骤为A，然后数据处理，步骤为DC，则顺序为BADC。
(2) 由匀变速直线运动的规律得：竖直方向2L＝gT2，水平方向3L＝v0T，联立解得v0＝1.5 m/s，由中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度得B的竖直速度vBy＝eq \f(8L,2T)＝2 m/s。
【变式1】 (2020·河南安阳一中期中)图7甲是“研究平抛物体的运动”的实验装置图。
图7
(1)实验前应对实验装置反复调节，直到斜槽末端切线________。每次让小球从同一位置由静止释放，是为了每次平抛____________相同。
(2)图乙是正确实验取得的数据，其中O为抛出点，则此小球做平抛运动的初速度为________m/s(g＝9.8 m/s2)。
答案 (1)水平 初速度 (2)1.6
解析 (1)为了保证小球的初速度水平，斜槽末端应切线水平，每次让小球从同一位置由静止释放，是为了每次平抛运动的初速度相等。
(2)根据y＝eq \f(1,2)gt2得，运动时间为
t＝eq \r(\f(2y,g))＝eq \r(\f(2×0.196,9.8)) s＝0.2 s
则小球平抛运动的初速度为
v0＝eq \f(x,t)＝eq \f(0.32,0.2) m/s＝1.6 m/s。
命题点二 实验创新
【例3】 [2020·天津卷，9(1)]某实验小组利用图8所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。
图8
(1)为了正确完成实验，以下做法必要的是________。
A.实验时应保持桌面水平
B.每次应使钢球从静止开始释放
C.使斜面的底边ab与桌边重合
D.选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面
图9
(2)实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2 m，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为15.0 cm、25.0 cm、35.0 cm，示意图如图9。重力加速度g＝10 m/s2，钢球平抛的初速度为________m/s。
(3)图8装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是________________________。
答案 (1)AB (2)2 (3)方便将木板调整到竖直平面
解析 (1)为了使钢球离开桌面做平抛运动，实验时应保持桌面水平，A项正确；为了使钢球做平抛运动的初速度相同，每次应使钢球从同一位置由静止释放，B项正确；实验与斜面是否光滑无关，D项错误；若ab边与桌边重合，则钢球在空中做的不是平抛运动，C项错误。
(2)钢球在水平方向做匀速直线运动，每次向右移动0.2 m，钢球做平抛运动的时间均匀增大；竖直方向上，钢球做自由落体运动，有Δy＝gT2，得T＝0.1 s，所以钢球平抛的初速度v＝eq \f(Δx,T)＝2 m/s。
(3)木板上悬挂铅垂线是为了调整木板使其处于竖直状态。
【变式2】 (2020·四川三台中学月考)未来在一个未知星球上用如图10甲所示装置研究平抛运动的规律。悬点O正下方P点处有水平放置的炽热电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出做平抛运动， 现对小球采用频闪数码相机连续拍摄，在有坐标纸的背景屏前拍下了小球在做平抛运动过程中的多张照片，经合成后照片如图乙所示，a、b、c、d为连续四次拍下的小球位置，已知照相机连续拍照的时间间隔是0.10 s，照片大小如图中坐标所示，又知该照片的长度与实际背景屏的长度之比为1∶4，则：
图10
(1)由以上信息，可知a点________(填“是”或“不是”)小球的抛出点；
(2)由以上信息，可以推算出该星球表面的重力加速度为________m/s2 ；
(3)由以上信息可以算出小球平抛的初速度大小是________m/s；
(4)由以上信息可以算出小球在b点时的速度大小是________m/s。
答案 (1)是 (2)8 (3)0.8 (4)eq \f(4\r(2),5)
解析 (1)因为竖直方向上相等时间内的位移之比为1∶3∶5，符合初速度为零的匀变速直线运动特点，因此可知a点的竖直分速度为零，a点为小球的抛出点。
(2)由照片的长度与实际背景屏的长度之比为1∶4，可得乙图中正方形的边长L＝4 cm，竖直方向上有2L＝g′T2
解得g′＝eq \f(2L,T2)＝eq \f(2×4×10－2,0.12) m/s2＝8 m/s2。
(3)水平方向小球做匀速直线运动，因此小球平抛运动的初速度为
v0＝eq \f(2L,T)＝eq \f(2×4×10－2,0.1)＝0.8 m/s。
(4)b点竖直方向上的分速度
vyb＝eq \f(4L,2T)＝eq \f(0.16,0.2) m/s＝0.8 m/s
所以vb＝eq \r(veq \\al(2,0)＋veq \\al(2,yb))＝eq \f(4\r(2),5) m/s。