高考物理一轮复习第4章实验5探究平抛运动的特点课时学案

这是一份高考物理一轮复习第4章实验5探究平抛运动的特点课时学案，共10页。


教材原型实验
实验原理与操作
[典例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。
(1)实验简要步骤如下：
A．如图所示，安装好器材，注意斜槽末端水平以及平板竖直放置，记下斜槽末端O点和过O点的竖直线，检测斜槽末端水平的方法是_________________
__________________________________________________________________。
B．让小球多次从________(选填“同一”或者“不同”)位置滚下，记下小球穿过卡片孔的一系列位置。
C．测出曲线上某点的x、y坐标值，(当地重力加速度g已知)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。
(2)(多选)“探究平抛运动”的特点，下面说法正确的是________。
A．使用密度大、体积小的小球
B．必须测出平抛小球的质量
C．将木板校准到竖直方向，并使木板平面与小球下落的竖直平面平行
D．尽量减小小球与斜槽之间的摩擦
[解析] (1)步骤A中，根据平衡条件，将小球静止放在槽口任一位置，小球不会滚动，此时FN竖直向上，说明末端水平；步骤B中要记下小球运动途中经过一系列位置，不可能在一次平抛中完成，每次平抛只能确定一个位置，要确定多个位置，要求小球每次的轨迹重合，故小球平抛时的初速度必须相同，小球每次从同一位置滚下；步骤C中，由x＝v0t及y＝eq \f(1,2)gt2得v0＝xeq \r(\f(g,2y))。
(2)“探究平抛运动”的特点，一是尽量减小小球运动中空气阻力的影响，二是准确地描绘出小球的轨迹，故A、C正确。
[答案] (1)让小球置于槽口任一位置，小球均不发生滚动 同一 xeq \r(\f(g,2y)) (2)AC
数据处理与分析
[典例2] (2021·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0.05 s 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5 cm。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。
(a)
(b)
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)小球在水平方向上做匀速直线运动，小球运动到A点时，由题图(b)可知，其速度的水平分量大小为vx＝eq \f(L,T)＝eq \f(5×10－2,0.05) m/s＝1.0 m/s，小球在竖直方向上做匀加速直线运动，根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度可知，小球运动到A点时，其速度的竖直分量大小为vy＝eq \f(8.6＋11.0×10－2,2×0.05) m/s≈2.0 m/s。
(2)在竖直方向上，根据Δy＝gT2，解得当地的重力加速度g＝eq \f(13.4＋11.0－8.6－6.1×10－2,0.12) m/s2＝9.7 m/s2。
[答案] (1)1.0 2.0 (2)9.7
拓展创新实验
实验器材创新
[典例3] 如图所示，研究平抛运动规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可测得小球的水平初速度和飞行时间，底板上的标尺可以测得水平位移。保持水平槽口距底板高度h＝0.420 m不变。改变小球在斜槽轨道上下滑的起始位置，测出小球做平抛运动的初速度v0、飞行时间t和水平位移d，记录在表中。
(1)由表中数据可知，在h一定时，小球水平位移d与其初速度v0成________关系，与________无关。
(2)一位同学计算出小球飞行时间的理论值t理＝eq \r(\f(2h,g))＝eq \r(\f(2×0.420,10)) s＝289.8 ms，发现理论值与测量值之差约为3 ms。经检查，实验及测量无误，其原因是__________________________。
(3)另一位同学分析并纠正了上述偏差后，另做了这个实验，竟发现测量值t′依然大于自己得到的理论值t理′，但二者之差在3～7 ms之间，且初速度越大差值越小。对实验装置的安装进行检查，确认斜槽槽口与底座均水平，则导致偏差的原因是______________。
[解析] (1)由题表中数据可知，h一定时，小球的水平位移d与初速度v0成正比关系，与时间t无关。
(2)该同学计算时重力加速度取的是10 m/s2，一般情况下应取9.8 m/s2，从而导致约3 ms的偏差。
(3)光电门传感器置于槽口的内侧，传感器的中心距水平糟口(小球开始做平抛运动的位置)还有一段很小的距离，故从小球经过传感器到小球到达抛出点还有一段很短的时间，而且速度越大该时间越短。使测量值大于理论值。
[答案] (1)正比 飞行时间t (2)计算时重力加速度取值(10 m/s2)大于实际值 (3)见解析

1．利用光电门传感器和碰撞传感器可测得小球的水平初速度和飞行时间。
2．利用底板上的标尺可以测得水平位移。
实验原理创新
[典例4] 如图甲所示，AB是一可升降的竖直支架，支架顶端A处固定一弧形轨道，轨道末端水平。一条形木板的上端铰接于过A的水平转轴上，下端搁在水平地面上。将一小球从弧形轨道某一位置由静止释放，小球落在木板上的某处，测出小球平抛运动的水平射程x和此时木板与水平面的夹角θ，并算出tan θ。改变支架AB的高度，将小球从同一位置释放，重复实验，得到多组x和tan θ，记录的数据如下表：
甲
乙
(1)在图乙的坐标中描点连线，做出x­tan θ的关系图像；
(2)根据x­tan θ图像可知小球做平抛运动的初速度v0＝______ m/s；实验中发现θ超过60°后，小球将不会掉落在斜面上，则斜面的长度为______ m。(重力加速度g取10 m/s2)
(3)实验中有一组数据出现明显错误，可能的原因是
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[解析] (1)x­tan θ的关系图像如图所示：
(2)根据tan θ＝eq \f(\f(1,2)gt2,v0t)，得t＝eq \f(2v0tan θ,g)，
则水平射程为x＝v0t＝eq \f(2v\\al( 2,0)tan θ,g)。
可知图线的斜率k＝eq \f(2v\\al( 2,0),g)，由图可知k＝eq \f(0.30,1.5)＝0.2，
解得v0＝ eq \r(\f(kg,2))＝ eq \r(\f(0.2×10,2)) m/s＝1.0 m/s。
当θ＝60°时，有t＝eq \f(2v0tan θ,g)＝eq \f(\r(3),5) s，
则斜面的长度为s＝eq \f(v0t,cs 60°)＝eq \f(2\r(3),5) m≈0.69 m。
(3)实验中有一组数据出现明显错误，由图可知，水平射程偏小，由x＝v0t＝eq \f(2v\\al( 2,0)tan θ,g)知，初速度偏小，即小球释放位置低于其他几次实验。
[答案] (1)见解析图 (2)1.0(0.96～1.04均可) 0.69(0.65～0.73均可) (3)小球释放位置与其他几次实验不同(低于其他几次实验)
本题创新点体现在实验原理，利用与斜面相关的平抛运动模型，改变小球平抛运动的水平速度和斜面倾角，进而改变水平射程x，通过x­tan θ的关系图像分析数据。
实验设计创新
[典例5] 某同学设计了一个“探究平抛运动的特点”的实验。实验装置示意图如图甲所示，A是一块水平放置的木板，在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽(如图甲中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，每次让小球从斜轨道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。
甲 乙
(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。
[解析] (1)对实验装置反复调节的目的：①使斜轨道末端切线水平，以保证小球离开轨道时做平抛运动；②使A板水平，保证B板总处于同一高度；③使插槽P0P0′垂直斜轨道并在斜轨道末端正下方，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。
[答案] (1)斜轨道末端切线水平、A板水平、插槽P0P0′垂直斜轨道并在斜轨道末端正下方 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
利用改变相同水平距离控制相同的运动时间，进而找落点确定小球在不同水平位置的竖直位置。
v0(m/s)
0.741
1.034
1.318
1.584
t(ms)
292.7
293.0
292.8
292.9
d(cm)
21.7
30.3
38.6
46.4
实验次数
1
2
3
4
5
6
tan θ
0.18
0.32
0.69
1.00
1.19
1.43
x/m
0.035
0.065
0.140
0.160
0.240
0.290