第1章 第3节 第1课时 实验：探究平抛运动的特点（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理必修第二册（粤教版2019）

第三节　平抛运动 第1课时　实验：探究平抛运动的特点 课程内容要求 核心素养提炼 1．知道抛体运动、平抛运动概念． 2．通过实验，探究并认识平抛运动的规律． 3．掌握实验探究方法，学会描绘运动轨迹、分析运动轨迹． 1．科学探究： (1)会用实验的方法研究平抛运动的两个分运动． (2)学会用实验的方法描绘平抛运动的轨迹． (3)通过实验，掌握平抛运动轨迹的获取过程和方法． 2．科学态度与责任：能认识物理学是通过有意识的探究而做出的对自然现象的描述和解释． [对应学生用书P10] 1．探究平抛运动竖直分运动的特点． 2．探究平抛运动水平分运动的特点． 斜槽、平抛运动实验器、白纸、复写纸、小球、图钉、铅笔、刻度尺、重垂线等． 1．实验的基本思想——控制变量法． 2．实验原理 (1)物体的平抛运动可以看作是两个方向的分运动的合成，一个是水平方向的分运动，另一个是竖直方向的分运动． (2)探究两个分运动： ①探究小球在水平方向分运动的特点． ②探究小球在竖直方向分运动的特点． 1．探究平抛运动竖直分运动的特点 【实验步骤】 (1)如图，用小锤击打弹性金属片后，A球沿水平方向抛出，做平抛运动，同时B球被释放，自由下落，做自由落体运动． (2)观察两球的运动轨迹，比较它们落地时间的先后． (3)分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，多次重复实验，记录实验现象． 【数据收集与分析】 根据A球与B球落地时间的先后，得出平抛运动竖直分运动随时间变化的规律． 2．探究平抛运动水平分运动的特点 【实验步骤】 (1)如图，钢球在斜槽M中从某一高度滚下，从末端飞出后做平抛运动(实验前，先将一张白纸和复写纸固定在装置的背板上). (2)钢球飞出后，落到挡板N上，在白纸上留下印迹，记录钢球所经过的位置． (3)上下调节挡板N，通过多次实验，在白纸上记录钢球所经过的多个位置． (4)用平滑的曲线把这些印迹连接起来，得到钢球做平抛运动的轨迹． 【数据收集与分析】 根据平抛运动的轨迹，设法确定相等的时间间隔，再看相等的时间内水平分运动的位移，进而确定水平分运动的规律． 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完全不相同，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． 1．斜槽安装：实验中必须调整斜槽末端的切线水平，将小球放在斜槽末端水平部分，若没有明显的运动倾向，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，固定时要用重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，应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． [对应学生用书P11] 用如图甲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)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． ①取平抛运动的起点为坐标原点，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”)y轴与重垂线平行． ②若遗漏记录平抛轨迹的起始点，也可按下述方法处理数据：如图乙所示，在轨迹上取A、B、C三点，AB和BC的水平间距相等且均为x，测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2，则________(选填“>”“＝”或“<”).可求得钢球平抛的初速度v0大小为________(已知当地重力加速度为g，结果用上述字母表示). 乙 解析　(1)本实验中要保证钢球飞出斜槽末端时的速度水平，即钢球做平抛运动，且每次飞出时的速度应相同，所以只要每次将钢球从斜槽上同一位置由静止释放即可，故B、D正确． (2)①平抛运动的起始点应为钢球静置于Q点时，钢球的球心对应纸上的位置，由于平抛运动在竖直方向做自由落体运动，所以在确定y轴时需要y轴与重垂线平行； ②由初速度为零的匀加速直线运动规律即在相等时间间隔内所通过的位移之比为1∶3∶5∶7∶…可知，由于A点不是抛出点，所以＞；设AB，BC间所用的时间为T，竖直方向有：y2－y1＝gT2，水平方向有：x＝v0T，联立解得：v0＝x. 答案　(1)BD　(2)①球心　需要　②>　x (1)在“研究平抛物体的运动”的实验中，为减小空气阻力对小球的影响，选择小球时，应选择下列的________． A．实心小铁球　　　　 B．空心铁球 C．实心小木球 D．以上三种球都可以 (2)在研究平抛运动的实验中，斜槽末端要________，且要求小球要从________释放，现用一张印有小方格的纸记录轨迹，小方格边长L＝2.5 cm，若小球在平抛运动途中的几个位置如图所示，小球由A到B位置的时间间隔为________ s，小球平抛的初速度大小为 ________ m/s.小球在B点的速度为 ________ m/s. 解析　(1)为了减小空气阻力对小球的影响，要选择体积较小质量较大的小球，故选实心小铁球，故A正确，B、C、D错误； (2)在研究平抛运动的实验中，为了保证小球做平抛运动斜槽末端要水平，为保证每次运动轨迹相同要求小球从同位置释放，小球竖直方向做自由落体运动， 有：Δh＝gT2， 即为：L＝gT2， 得：T＝＝s＝0.05 s. 小球初速度为： v0＝＝ m/s＝1 m/s； B位置竖直方向速度为： vy＝＝ m/s＝0.75 m/s； 则B点的速度为： vB＝＝ m/s＝1.25 m/s. 答案　(1)A (2)水平　同一位置　0.05　1　1.25 某同学设计了一个研究平抛运动的实验，实验装置示意图如图甲所示．A是一块水平木板，在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽(甲图中的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插入A板的各插槽中，每次让小球从斜轨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________为止．每次让小球从同一位置由静止释放，是为了____________． (2)每次将B板向纸面内侧平移距离d，是为了__________________． (3)在图乙中绘出小球做平抛运动的轨迹． [思路点拨]　本题利用留迹法描绘平抛运动的轨迹，解题的关键是明确每次将B板向纸面内侧平移距离d的目的． 解析　(1)小球每次抛出后，应做轨迹相同的平抛运动，所以实验前要反复调节实验装置，使斜轨末端水平．每次从同一位置由静止释放小球，是为了使小球每次运动的初速度相同． (2)每次B板插入后一槽中会使小球的水平位移增加d，所以每次将B板向纸面内侧平移d，就可以对应水平位移的变化，使B板上的x坐标能表示水平位置的变化． (3)用平滑曲线连接各点，可得轨迹如图所示 答案　(1)斜轨末端水平　保证小球每次射出时初速度相同 (2)使板上的x坐标能表示小球的水平位移 (3)见解析图 [对应学生用书P12] 1．用小锤击打弹性金属片后，一小球做平抛运动，同时另一小球做自由落体运动．两球运动的频闪照片如图所示，最上面与最下面小球位置间的实际竖直距离为1 m，照片中反映的实际情况是(　　) A．自由下落小球相邻位置间的位移相等 B．平抛运动小球相邻位置间的位移相等 C．自由下落小球相邻位置间的距离一定大于0.1 m D．平抛运动小球相邻位置间的水平距离一定大于0.1 m D　[小球做自由落体运动，相等时间内的位移增大，故A错误；平抛运动小球在竖直方向相同时间内位移增大，则相邻位置间的位移不相等，故B错误；将1 m 十等分为0.1 m，但自由下落相同时间内的位移增大，则刚下落时的距离要小于0.1 m ，故C错误；由图可知水平长度要大于竖直高度，而水平方向为匀速直线运动，则距离平分，要大于0.1 m ，故D正确. ] 2．如图，用小锤轻击弹簧金属片，A球向水平方向飞出，同时B球被松开，竖直向下运动． (1)(多选)用不同的力打击弹簧金属片，可以观察到(　　) A．A球运动线路不同，B球的运动线路相同 B．A、B两球运动线路相同 C．A、B两球同时落地 D．力越大，A、B两球落地时间间隔越大 (2)改变此装置距地面的高度，重复上述实验，仍然可以看到相同的实验现象，根据此现象分析可知(　　) A．小球A在水平方向做匀速运动 B．小球A在水平方向做匀加速运动 C．小球B在竖直方向做匀加速运动 D．小球A与B在竖直方向运动规律相同 解析　(1)打击力度不同，A球平抛初速度不同，运动路线不同，但B球始终做自由落体运动，所以B球路线相同，A正确，B错误；因为A、B两球竖直方向均为自由落体运动，所以运动时间相同，C正确，D错误． (2)改变高度，仍看到相同现象，说明小球A与B在竖直方向运动规律相同，选项D正确． 答案　(1)AC　 (2)D 3．用如图所示的装置探究平抛运动的特点，在一块竖直放置的木板上固定两个弧形轨道A、B，用于发射小铁球，从轨道A射出的小铁球做平抛运动，从轨道B射出的小铁球做匀速直线运动．板上还装有三个电磁铁C、D、E，其中电磁铁C、D可分别沿轨道A、B移动．在轨道A出口处有一个碰撞开关S，用以控制电磁铁E的电源的通断，电磁铁E可以沿水平杆MN移动，当它吸上小铁球时，该小铁球的中心与从轨道A末端射出的小铁球的中心在同一水平线上． (1)实验中，轨道A末端的切线必须是水平的，这样做的目的是________； A．保证小铁球飞出时，速度不太大，也不太小 B．保证小铁球飞出时，初速度水平 C．保证小铁球在空中运动的时间每次都相等 D．保证小铁球运动的轨迹是一条抛物线 (2)若轨道A、B出口方向平行但略向下倾斜，将小铁球1从某高度静止释放，小铁球落在轨道B的P点，将电磁铁E移至P点正上方，将小铁球1和小铁球3同时同高度释放，先到达P点的是________； (3)若轨道A、B出口均水平，调节小铁球3的水平位置多次实验，发现小铁球1和小铁球3总是在空中相碰，则说明小铁球1在竖直方向上做________运动． 解析　(1)平抛运动的初速度沿水平方向，故为了保证小铁球飞出时初速度水平，实验中，轨道A末端的切线必须是水平的，B正确； (2)由于轨道A出口向下倾斜，则射出时，小铁球1有竖直向下的分速度，并且与小铁球3下降的高度相同，而小铁球3竖直方向上的初速度为零，故小铁球1先到达P点； (3)发现小铁球1和小铁球3总是在空中相碰，说明两者在竖直方向上的运动性质相同，故说明小铁球1在竖直方向上做自由落体运动． 答案　(1)B (2)小铁球1 (3)自由落体 4．某同学利用图甲所示装置做“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了一部分，剩余部分如图乙所示，于是他在曲线上取水平距离Δx相等的三点A、B、C，量得Δx＝0.4 m，又量出它们之间的竖直距离分别为h1＝0.1 m，h2＝0.5 m．g取10 m/s2，利用这些数据，求： 甲 乙 (1)小球从A到B所用的时间； (2)小球抛出时的初速度的大小； (3)小球经过B点时速度的大小． 解析　(1)在竖直方向上根据Δh＝gT2， 有T＝＝s＝0.2 s (2)根据水平方向的匀速运动特点有：x＝v0T， 将T＝0.2 s代入得v0＝＝ m/s＝2 m/s. (3)根据匀变速直线运动中某段时间内的平均速度等于其中间时刻的瞬时速度，所以物体经过B点时的竖直分速度为 vBy＝＝ m/s＝1.5 m/s 所以经过B点的速度为 v＝ ＝ m/s＝2.5 m/s. 答案　(1)0.2 s (2)2 m/s (3)2.5 m/s 5．图甲是“研究平抛运动”的实验装置图，通过描点画出平抛小球的运动轨迹． 甲 (1)(多选)以下实验过程的一些做法，其中合理的有________． A．安装斜槽轨道，使其末端保持水平 B．每次小球释放的初始位置可以任意选择 C．每次小球应从同一高度由静止释放 D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接 (2)实验得到平抛小球的运动轨迹，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图像能说明平抛小球运动轨迹为抛物线的是____． 乙 (3)图丙是某同学根据实验画出的平抛小球的运动轨迹，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.则平抛小球的初速度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). 丙 解析　(1)安装斜槽轨道末端水平，这样小球离开斜槽时速度方向水平，才能保证小球离开斜槽做平抛运动，故选项A正确；为了保证小球多次运动是同一轨迹，应保证小球离开斜槽的初速度相同，所以小球的释放点应该相同，故选项B错误，选项C正确；为描出小球的运动轨迹，应该用平滑的曲线连接．故选项D错误． (2)做平抛运动的小球在水平方向上有x＝v0t，在坚直方向上有y＝gt2，联立解得y＝x2，可知y­x2图像是一条直线时，才能说明小球运动的轨迹是抛物线． (3)根据竖直方向有y＝gt2 得：t＝，则 t1＝＝0.1 s，t2＝＝0.3 s， 所以平抛小球的初速度 v0＝＝ m/s＝2.0 m/s， 小球在C点的竖直速度 vy＝ ＝2 m/s， 根据运动的合成知识可知，小球在C点的速度 vC＝ ＝4.0 m/s 答案　(1)AC (2)C (3)2.0　4.0 6．三个同学根据不同的实验条件，进行了“探究平抛运动规律”的实验： (1)甲同学采用如图甲所示的装置，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，两小铁球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道下端水平射出．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_____________________________________________________________________． (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10 cm，则由图可求得拍摄时每________s曝光一次，该小球平抛的初速度大小为________m/s，经过b点时速度大小为________m/s.(g取10 m/s2) 解析　(1)在打击金属片时，金属片把A球沿水平方向弹出，做平抛运动，同时B球被松开，做自由落体运动，两小球同时落地，说明A球与B球在竖直方向的运动规律相同，即：说明平抛运动竖直方向是自由落体运动． (2)两小铁球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道下端水平射出，小铁球P做平抛运动，小铁球Q在水平方向做匀速直线运动，可以看到：P球落地时刚好和Q球相遇；当同时改变两小球滚下的高度时，仍能相碰，这说明：初速度相同时，平抛运动在水平方向的运动规律与匀速直线运动规律相同，即：说明平抛运动在水平方向做匀速直线运动． (3)平抛运动可分解为： 竖直方向自由落体运动与水平方向匀速直线运动； 在竖直方向上：由Δh＝gt2 可得：t＝＝＝ s＝0.1 s； 小球的初速度： v0＝＝ m/s＝2 m/s； 在竖直方向上： vyb＝＝ m/s＝1.5 m/s 小球经过b点时的速度大小： vb＝ ＝ m/s ＝2.5 m/s； 答案　(1)平抛运动在竖直方向为自由落体运动 (2)P球落地时刚好和Q球相遇　平抛运动在水平方向为匀速直线运动 (3)0.1　2　2.5 学科网（北京）股份有限公司 $$