人教版新高考物理一轮总复习--实验5　探究平抛运动的特点课件PPT

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一、实验目的1.学会用实验的方法描绘平抛运动的轨迹。2.会判断平抛运动的轨迹是不是抛物线。3.会根据平抛运动的轨迹计算平抛运动的初速度。4.掌握描迹法、频闪照相法等探究实验的常用方法。二、实验原理用描迹法(或喷水法或频闪照相法)得到物体平抛运动的轨迹。三、实验器材斜槽、小球、方木板、图钉、刻度尺、铅垂线、铅笔、白纸、铁架台。
四、实验步骤1.按图甲所示安装实验装置,使斜槽末端水平(小球在斜槽末端点恰好静止)。
2.以水平槽末端端口上小球球心在木板上的投影点为坐标原点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点开始通过画出的若干点描出一条平滑的曲线,如图乙所示。
五、数据处理1.判断平抛运动的轨迹是不是抛物线方法一　公式法(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,轨迹上各点的坐标应具有y=ax2的关系,而且同一轨迹a是一个特定的值。(2)验证方法用刻度尺测量几个点的x、y两个坐标,分别代入y=ax2中求出常量a,看计算得到的a值在误差允许的范围内是不是一个常数。方法二　图像法建立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的y值和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。
2.计算初速度计算平抛运动的初速度可以分为两种情况(1)平抛轨迹完整(即含有抛出点)在轨迹上任取一点,测出该点离坐标原点的水平位移x及竖直位移y,就可求出初速度v0。
(2)平抛轨迹残缺(即无抛出点)在轨迹上任取三点A、B、C(如图所示),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间的运动时间相等,设为t,则Δh=hBC-hAB=gt2
六、误差分析1.安装斜槽时,其末端切线不水平,导致小球离开斜槽后不做平抛运动产生误差。2.建立坐标系时,坐标原点的位置确定不准确,导致轨迹上各点的坐标不准确产生误差。3.小球每次自由滚下时的起始位置不完全相同,导致轨迹出现误差。4.确定小球运动的位置时,出现误差。5.量取轨迹上各点的坐标时,出现误差。
七、注意事项1.斜槽安装:实验中必须调整斜槽末端切线水平,将小球放在斜槽末端水平部分,若能使小球在平直轨道上的任意位置静止,斜槽末端的切线就水平了。2.方木板固定:方木板必须处于竖直平面内,固定时要用铅垂线检查坐标纸竖线是否竖直。3.小球释放:(1)小球每次必须从斜槽上同一位置滚下。(2)小球开始滚下的位置高度要适中,以使小球平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。
4.坐标原点:坐标原点不是槽口的端点,而是小球出槽口时球心在木板上的投影点。5.初速度的计算:在轨迹上选取离坐标原点O较远的一些点来计算初速度。
【例1】 (2019·北京卷)用如图所示装置研究平抛运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出,落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复,白纸上将留下一系列痕迹点。
(1)(多选)下列实验条件必须满足的有____________。 A.斜槽轨道光滑B.斜槽轨道末段水平C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究,建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。a.取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点,钢球的_________ (选填“最上端”“最下端”或“球心”)对应白纸上的位置即为原点;在确定y轴时____________(选填“需要”或“不需要”)确保y轴与铅垂线平行。 
(3)(多选)为了得到平抛物体的运动轨迹,同学们还提出了以下三种方案,其中可行的是____________。 A.从细管水平喷出稳定的细水柱,拍摄照片,即可得到平抛运动轨迹B.用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置,平滑连接各位置,即可得到平抛运动轨迹C.将铅笔垂直于竖直的白纸板放置,笔尖紧靠白纸板,铅笔以一定初速度水平抛出,将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹
(4)伽利略曾研究过平抛运动,他推断:从同一炮台水平发射的炮弹,如果不受空气阻力,不论它们能射多远,在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体____________。 A.在水平方向上做匀速直线运动B.在竖直方向上做自由落体运动C.在下落过程中机械能守恒
(5)牛顿设想,把物体从高山上水平抛出,速度一次比一次大,落地点就一次比一次远,如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。同样是受地球引力,随着抛出速度增大,物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动,请分析原因。
物体初速度较小时,运动范围很小,引力可以看作恒力——重力,做平抛运动;随着物体初速度增大,运动范围变大,引力不能再看作恒力;当物体初速度达到第一宇宙速度时,做圆周运动而成为地球卫星。
解析:(1)斜槽的作用是提供一个恒定的水平速度,水平速度要求斜槽轨道末端水平,B正确。速度大小恒定,则要求每次从斜槽上相同的位置无初速度释放,对斜槽轨道是否光滑无要求,根据动能定理,每次合外力做功相同,就会获得相同大小的速度,A错误、D正确。记录平抛运动轨迹,对挡板高度变化无要求,C错误。(2)a.平抛运动的起点是球心,确定y轴时需要用铅垂线确定,y轴平行于铅垂线。
【例2】 (2021·江苏扬州中学月考)图甲是研究平抛运动的实验装置示意图,小球从斜面上一定高度处从静止释放,经过一段水平轨道后落下,利用该装置可以记录小球球心的运动轨迹。(1)在实验操作中需要小球多次重复运动,则每次小球___________从同一位置由静止开始运动。轨道_______________光滑。(两空均选填“必须”或“不一定”) (2)某同学记录了运动轨迹上三点A、B、C,如图所示,以A为坐标原点,建立坐标系,各点坐标值已在图中标出,则小球平抛初速度大小为______ m/s; B点的速度是____________ m/s,小球做平抛运动的初始位置坐标为(____________ m,____________ m)(g取10 m/s2)。 
解析:(1)为了保证小球做平抛的初速度相同,每次都必须使小球从同一位置由静止开始运动;只需要保证小球从斜槽末端做平抛运动,速度相同即可,不需要保证轨道光滑。
1.实验器材改进(1)利用小球撞击木板得到小球在竖直方向的位移。
(2)利用电磁铁控制小球的下落。
(3)利用频闪照相采集小球下落的数据。
2.创新解读(1)实验过程创新:用喷水法、频闪照相法等获取平抛轨迹或处理实验数据。(2)实验目的创新:利用平抛运动的规律来探究或验证其他物理规律。
【例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) 
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)在竖直方向上有(y2-y3)-(y1-y2)=gT2,水平方向上有x=v0T,可得小球平抛的初速度
1.(2020·山东临沂月考)利用实验室的斜面小槽等器材装配如图所示的装置。钢球从斜槽上滚下,经过水平槽飞出后做平抛运动。每次都使钢球在斜槽上同一位置滚下,钢球在空中做平抛运动,设法用铅笔描出小球经过的位置(每次使用铅笔记下小球球心在木板上的水平投影点O),通过多次实验,在竖直白纸上记录钢球所经过的多个位置,连起来就得到钢球做平抛运动的轨迹。
(1)实验过程中,要建立直角坐标系,在图乙中,坐标原点选择正确的是____________。 
2.某同学用图甲所示装置做研究平抛运动的实验,根据实验结果在坐标纸上描出了小球水平抛出后的运动轨迹,但不慎将画有轨迹图线的坐标纸丢失了一部分,剩余部分如图乙所示。图乙中水平方向与竖直方向每小格的长度均代表0.10 m,P1、P2和P3是轨迹图线上的3个点,P1和P2、P2和P3之间的水平距离相等。
完成下列填空:(重力加速度取9.8 m/s2)(1)设P1、P2和P3的横坐标分别为x1、x2和x3,纵坐标分别为y1、y2和y3,从图乙中可读出|y1-y2|=_________ m,|y1-y3|=_________ m,|x1-x2|=_________ m。(2)若已测知抛出后小球在水平方向上做匀速运动。利用(1)中读取的数据,求出小球从P1运动到P2所用的时间为____________ s,小球抛出后的水平速度为____________ m/s。 
3.在做研究平抛运动的实验中,为了确定小球在不同时刻通过的位置,实验装置如图甲所示。实验操作的主要步骤如下:
①在一块平木板上钉上复写纸和白纸,然后将其竖直立于斜槽轨道末端槽口E前,木板与槽口E之间有一段距离,并保持板面与轨道末端的水平段垂直。②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。③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。④将木板再水平向右平移同样距离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。若测得A、B间距离为y1,B、C间距离为y2,已知当地重力加速度为g。
(1)(多选)关于该实验,下列说法正确的是____________(填字母代号)。 A.斜槽轨道必须尽可能光滑B.每次释放小球的位置必须相同C.每次小球均须由静止释放D.小球平抛的初速度可通过测量小球的释放点与抛出点之间的高度差h,之后再由机械能守恒定律求出(2)根据上述直接测量的量(如x、y1、y2等)和已知的物理量可以得到小球平抛时初速度的大小为____________(用题中所给字母表示)。 
(3)另外一位同学根据测量出的不同x情况下的y1和y2,令Δy=y2-y1,并描绘出了如图乙所示的Δy-x2图像。若已知图线的斜率为k,则小球平抛的初速度大小v0与k的关系式为___________(用题中所给字母表示)。(4)若测得x=15.0 cm,y1=15.0 cm,y2=25.0 cm,g取10 m/s2,则小球在打点迹B前瞬间速度的大小为____________ m/s;槽口E与点迹A间的高度差为____________ cm。(不考虑小球的大小,结果均保留两位有效数字) 
解析:(1)斜槽轨道是否光滑,不会影响做平抛运动,使斜槽末端保持水平,是为了保证小球做平抛运动,故A错误。因为要画同一运动的轨迹,每次释放小球的位置必须相同,且由静止释放,以保证获得相同的初速度,故B、C正确。假如斜槽是光滑的,则小球的初速度可通过测量小球的释放点与抛出点之间的高度h,之后再由机械能守恒定律求出,故D错误。(2)在竖直方向上有Δy=y2-y1=gt2水平方向上有x=v0t