2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(05)　探究平抛运动的特点

这是一份2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(05)　探究平抛运动的特点，共10页。试卷主要包含了实验基本技能，规律方法总结等内容，欢迎下载使用。
实验基础知识一、实验基本技能1．实验目的(1)用实验与理论进行探究、分析，认识平抛运动的规律．(2)用实验方法描出平抛物体的运动轨迹．(3)根据平抛运动的轨迹确定平抛物体的初速度．2．实验原理：平抛运动可看作两个分运动的合成：一个是水平方向的匀速直线运动，另一个是竖直方向的自由落体运动，则水平方向上有x＝v0t，竖直方向上有y＝gt2，令小球做平抛运动，利用追踪法逐点描出小球运动的轨迹，建立坐标系，测量出x、y，再利用公式可得初速度v0＝x .3．实验器材：斜槽、竖直固定在铁架台上的木板、铅笔、白纸、图钉、小球、刻度尺、重垂线．4．实验步骤(1)按实验原理图安装实验装置，使斜槽末端水平．(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．二、规律方法总结1．数据处理(1)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实验方法方法一：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．(2)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＝v0t，y＝gt2，故v0＝x .②平抛轨迹残缺(即无抛出点)如图所示，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＝ ，所以初速度v0＝＝x.2．误差分析(1)斜槽末端没有调节成水平状态，导致初速度不水平．(2)坐标原点不够精确等．(3)轨迹上的描点不准确．3．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.命题点一　实验原理与操作　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＝gt2得v0＝x .(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　x 　(2)AC[对点演练]1．两个同学根据不同的实验条件，进行了“探究平抛运动的特点”的实验．(1)甲同学采用如图甲所示的装置，用小锤击打弹性金属片，使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，改变小锤击打的力度，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，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的末端可看作与光滑的水平板相切，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，从而保证小铁球P、Q在轨道出口处的水平初速度v0相等．现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，然后切断电源，使两小球同时以相同的初速度v0分别从轨道M、N的末端射出，实验可观察到的现象应是__________________________．仅仅改变弧形轨道M的高度，重复上述实验，仍能观察到相同的现象，这说明________．解析：(1)通过对照实验，说明两球运动具有等时性，由此说明平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动．(2)两球在水平轨道上相遇，水平方向运动情况相同，说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动．答案：(1)平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动(2)P球击中Q球　平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动命题点二　数据处理与误差分析　(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．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vx＝ 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vy＝ 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＝ m/s2＝9.7 m/s2.答案：(1)1.0　2.0　(2)9.7[对点演练]2.图甲是“研究平抛物体运动”的实验装置图，通过描点画出小球做平抛运动的轨迹．(1)实验得到小球做平抛运动的轨迹，在轨迹上取一些点，以平抛起点O为坐标原点，测量它们的水平坐标x和竖直坐标y，图乙中y­x2图像能说明小球做平抛运动的轨迹为抛物线的是________．(2)图丙是某同学根据实验画出的小球做平抛运动的轨迹，O为平抛的起点，在轨迹上任取三点A、B、C，测得A、B两点竖直坐标y1为5.0 cm、y2为45.0 cm，A、B两点水平间距Δx为40.0 cm.则小球做平抛运动的初速度v0为________m/s，若C点的竖直坐标y3为60.0 cm，则小球在C点的速度vC为________m/s.(结果保留两位有效数字，g取10 m/s2)解析：(1)根据平抛运动的特点x＝v0t，y＝gt2得y＝·g·＝x2，可知y ­x2的图线为一条过原点的倾斜直线，故C正确．(2)y1＝5.0 cm＝0.05 m，y2＝45.0 cm＝0.45 m，Δx＝40.0 cm＝0.40 m，y3＝60.0 cm＝0.60 m，根据y1＝gt得t1＝ ＝  s＝0.1 s，根据y2＝gt得t2＝ ＝  s＝0.3 s，则小球做平抛运动的初速度为v0＝＝ m/s＝2.0 m/s，小球在C点的竖直分速度为vyC＝＝ m/s＝2 m/s，根据平行四边形定则知，小球在C点的速度为vC＝＝ m/s＝4.0 m/s.答案：(1)C　(2)2.0　4.0命题点三　创新拓展实验实验器材的创新实验设计的创新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．底板上的标尺可以测得水平位移.1．用频闪仪胶片记录物体在几个闪光时刻的位置代替铅笔描迹．2．利用分析频闪照片的方法代替坐标纸，使数据分析更方便.利用改变相同水平距离控制相同的运动时间，根据找落点确定小球在不同水平位置的竖直位置. 　(2020·天津卷)某实验小组利用图1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．(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(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，示意如图2.重力加速度g＝10 m/s2，钢球平抛的初速度为________ m/s.(3)图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是______________．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；若斜面底边与桌边重合，则钢球抛出后将做斜下抛运动，C项错误；因每次从同一斜面同一位置无初速度释放，钢球经历相同运动过程，则到达斜面底端的速度相同，故不需要选择摩擦力小的斜面，D项错误． (2)钢球水平速度不变，木板每次沿水平方向移动0.2 m，由平抛运动特点知：相邻两点间的运动时间相等，设为T，钢球在竖直方向做自由落体运动，有Δh＝h3－h2＝h2－h1＝gT2，得T＝0.1 s，钢球平抛的初速度v0＝＝2 m/s.(3)本实验要保证木板竖直，铅垂线可方便将木板调整到竖直．答案：(1)AB　(2)2　(3)方便将木板调整到竖直平面[对点演练]3．(实验器材的创新)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．改变小球在斜槽导轨上下滑的起始位置，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．v 0(m/s)0.7411.0341.3181.584t(ms)292.7293.0292.8292.9d(cm)21.730.338.646.4(2)一位同学计算出小球飞行时间的理论值t理＝＝ 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(小球开始做平地运动的位置)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4．(实验设计的创新)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是一块平面木板，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．(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