(考点分析) 第三节 实验：探究平抛运动的特点-2023年高考物理一轮系统复习学思用

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【考点分析】　第三节 实验：探究平抛运动的特点【考点一】  对实验装置和实验原理的考查【典型例题1】  (2021·江苏南京市南京师大附中)某学习小组为研究平抛物体的运动规律，设想了三套实验装置及实验方案：装置甲：上下两斜槽轨道的材料和形状相同，末端水平，电磁铁C和D可以同时断电释放钢球P和Q，两钢球形状、材料也相同，下方斜槽连接的水平板尽可能光滑；装置乙：小锤敲击弹性金属片后小球A开始平抛，同时小球B开始下落；装置丙：末端水平的斜槽上释放的小球从竖直硬板和水平木条MN间的缝隙穿过时，可以在垫有复写纸的白纸上留下点状印迹，水平木条MN高度可以上下调节。(1)为了验证平抛物体的水平分运动是匀速直线运动，下列关于实验原理和操作的说法正确的有___________。A．选择装置甲，并通过观察小球是否碰撞来验证B．选择装置乙，并通过听小球是否同时发出落地声来验证C．选择装置甲，并应该多次调整上下轨道的高度差来验证D．选择装置乙，并应该多次调整两球与地面的初始高度差来验证(2)某同学采用装置丙进行实验。①为描绘小球平抛运动的完整轨迹，并计算小球平抛的初速度，除了硬板、小球、斜槽、铅笔、图钉、白纸、复写纸、游标卡尺之外，下列器材中还需要的有___________。A．秒表  B．刻度尺  C．天平  D．弹簧秤  E.带线的重锤②该同学两次用游标卡尺测量同一小球的直径(如图所示)，正确结果应为___________cm。③该同学通过实验获得小球平抛运动的若干印迹点如图所示，下列因素可能导致这种情况的是___________。A．小球与斜槽之间有摩擦B．安装斜槽时其末端没有调整水平C．每次释放小球的位置不完全相同D．只记录了竖直方向，没有记录平抛运动的起点④如图所示，改进操作后，该同学在坐标纸上描绘小球平抛运动的轨迹(图中未画出)，并在其上选取了A、B、C三点。已知坐标纸竖边为竖直方向，坐标纸每小格边长为5cm，重力加速度g取10m/s2，则可以计算出小球平抛运动的初速度为___________m/s。(保留两位有效数字)【解析】  (1)AC．选择装置甲，并通过观察小球是否碰撞来验证平抛物体的水平分运动是匀速直线运动，并应该多次调整上下轨道的高度差来验证，AC正确；BD．选择装置乙，并通过听小球是否同时发出落地声来验证平抛物体的竖直分运动是自由落体运动，并应该多次调整两球与地面的初始高度差来验证，BD错误；(2)①除题中器材外，还需要带线的重锤来确定硬板是否竖直及确定y轴位置，需要刻度处测量平抛过程的水平、竖直位移，BE正确。故选BE。②左图把小球恰在中间缝隙里不对，应按右图进行操作，故小球的直径为③ABD．小球与斜槽之间有摩擦、安装斜槽时其末端没有调整水平或只记录了竖直方向，没有记录平抛运动的起点，轨迹仍是一条完整抛物线，不会形成如图点迹，ABD错误；C．每次释放小球的位置不完全相同，在不同高度留下的点迹就不会在同一条抛物线上，C正确。故选C。④设每小格边长为l，水平方向，A、B和B、C位移相同，故所用时间T相同，则满足，竖直方向满足，联立解得。【答案】  AC    BE    0.935    C    1.5【归纳总结】  研究平抛运动的实验原理是：把平抛运动看做是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动．高考中常常通过变通实验装置、变通操作方法等达到验证实验的目的，考查同学们利用课本知识解决实际问题的能力． 【考点二】  由轨迹求解初速度【典型例题2】  (2021·高考全国乙卷)某同学利用图(a)所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图(b)所示(图中未包括小球刚离开轨道的影像)。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图(b)中标出。  完成下列填空：(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图(b)中位置A时，其速度的水平分量大小为___________m/s，竖直分量大小为___________ m/s；(2)根据图(b)中数据可得，当地重力加速度的大小为___________ m/s2。【解析】  (1)[1]因小球水平方向做匀速直线运动，因此速度为。[2]竖直方向做自由落体运动，因此A点的竖直速度可由平均速度等于时间中点的瞬时速度求得。(2)[3]由竖直方向的自由落体运动可得，代入数据可得。【答案】    ①. 1.0    ②. 2.0    ③. 9.7【归纳总结】  解此类型题时最容易犯的错误就是将图甲中的A点当做是坐标原点(即抛出点)，从而导致全局错误，认清这个误区，解此类题起手就要着重找抛出点．利用从A→B，从B→C时间相等，竖直位移之比是3 ：5，顺理成章找到O为抛出点，问题便迫刃而解．但如果没有本题竖直位移35之类的巧合，寻找抛出点便有困难，因此就要另辟蹊径．“解法二”就是充分利用竖直分运动为匀变速运动的特点，从公式Δs＝aT2出发解出本题．两者相比较，“解法一”更接近从学生实验累积的知识基础；但“解法二”更具有普遍性，应重点掌握．【考点三】  实验操作的分析【典型例题3】  在做“研究平抛运动”的实验中，为了测量小球平抛运动的初速度，实验用如图所示的装置。实验操作的主要步骤如下：(ⅰ)在一块平木板上钉上复写纸和白纸，将其竖直立于斜槽轨道末端槽口前，木板与槽口之间有一段初始距离d，并保持板面与轨道末端的水平段垂直；(ⅱ)使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞到木板在白纸上留下痕迹A；(ⅲ)将木板沿水平方向向右平移一段距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞到木板在白纸上留下痕迹B；(ⅳ)将木板再水平向右平移相同距离x，使小球仍从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，再在白纸上得到痕迹C；(ⅴ)测得A、B、C三点距地面的高度为y1、y2、y3，已知当地的重力加速度为g。请回答下列问题：(1)关于该实验，下列说法中正确的是________。A．斜槽轨道必须尽可能光滑B．每次小球均须由静止释放C．每次释放小球的位置可以不同D．步骤(ⅰ)初始距离d必须与步骤(ⅲ)中距离x相等(2)根据上述直接测量的量和已知的物理量可以得到小球平抛的初速度大小的表达式为v0＝________。(用题中所给字母表示)(3)某同学做进一步的研究，改变小球释放的初始位置的高度h，每改变一次高度，重复上述步骤(ⅰ)～(ⅴ)(其他条件不变)，并记录每次的h、y1、y2、y3。在同一坐标系中画出y1­、y2­、y3­图像。根据你的分析，下列哪个图最接近该同学的实验结果________(图中直线a表示y1­图像，直线b表示y2­图像，直线c表示y3­图像，假设斜槽轨道光滑)。【解析】  (1)为了保证小球的平抛初速度相等，每次必须使小球从斜槽的同一位置由静止释放，斜槽轨道不需要光滑，故A、C错误，B正确。步骤(ⅰ)初始距离d与步骤(ⅲ)中距离x无关，只要保证连续水平移动的位移x相等，即可由x、y1、y2、y3计算平抛运动的初速度，故D错误。(2)在竖直方向上：(y2－y3)－(y1－y2)＝gT2，水平方向上：x＝v0T，可得小球平抛的初速度v0＝x 。(3)设小球开始做平抛运动时离地高度为H0，小球到达木板的平抛运动阶段，水平位移为x′＝v0t，到达木板时距离地面高度为y＝H0－gt2，小球从斜槽上距末端h高处静止释放，忽略摩擦力的影响，mgh＝mv，由以上分析可得y＝－·＋H0，当木板水平向右平移时，x′变大，y­图像斜率的绝对值变大，故C正确。【答案】  (1)B　(2)x　(3)C。【考点四】  实验误差的分析【典型例题4】  (2021·山东济南市)利用智能手机自带的各种传感器可以完成很多物理实验。某同学利用如图所示的实验装置，结合手机的传感器功能测定当地的重力加速度，实验步骤如下：Ⅰ．实验前用游标卡尺测出小球的直径d＝10.00mmⅡ．实验装置中固定轨道AB的末端水平，在轨道末端的安装一光电门，光电门通过数据采集器与计算机相连，测量小球离开轨道时的速度.将小球从轨道的某高度处由静止释放，小球运动一段时间后，打到竖直记录屏MN上，记下落点位置。然后通过手机传感器的测距功能，测量并记录小球做平抛运动的水平距离x和竖直下落距离hⅢ．多次改变屏MN的水平距离x，使小球每次都从轨道的同一位置处由静止释放，重复上述实验，记录多组x、h数据，如下表所示实验顺序12345x(cm)10.015.020.025.030.0x2(×10－2m2)1.002.254.006.259.00h(cm)4.8810.9619.5230.5343.92请根据上述数据，完成下列问题：(1)在答题卡给定的坐标纸上做出x2－h的图像______；(2)若光电计时器记录的平均遮光时间t＝0.01s，根据上述图像求得当地的重力加速度大小g＝______m/s2(结果保留三位有效数字)；(3)若实验中，每次记录的h值均漏掉了小球的半径，按照上述方法计算出的重力加速度大小与真实值相比是______。(填“偏大”、“偏小”、或“不变”)。【解析】(1)[1]由表中数据可得，则x2－h的图像如下(2)[2]有平抛运动的特点与图像可得，图像斜率为 ，平抛运动的初速度为，则重力加速度为 (3)[3]由[2]的分析可知，求重力加速度时，不需要知道小球的直径也可以，故计算出的重力加速度大小与真实值是相同的。【答案】      9.76±0.03    相同