第2章 第3节 科学探究：平抛运动的特点-【金版新学案】2024-2025学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书word（鲁科版2019）

第3节　科学探究：平抛运动的特点 【素养目标】 物理观念 知道抛体运动、平抛运动的含义，掌握其为匀变速曲线运动。 科学思维 掌握化曲为直的思想，通过实验掌握研究方法。 科学探究 通过观察实验，能够提出物理问题，分析实验数据，得到实验结论。 科学态度与责任 掌握平抛运动的特点，有将所学知识应用到生活中的意识。 一、实验目的 1．描绘物体做平抛运动的轨迹并分析其特点。 2．根据平抛运动的轨迹求平抛初速度。 二、实验器材 斜槽、小球、木板、铅垂线、坐标纸、图钉、刻度尺、铅笔(或卡孔)等。 三、实验原理与设计 将斜槽等器材安装起来，实验装置如图所示。小球从斜槽上滚下，通过水平槽飞出后做平抛运动。使小球每次都从斜槽上同一位置由静止释放，小球在空中做平抛运动的轨迹相同。设法用铅笔描出小球经过的位置。通过多次实验，在坐标纸上记录小球所经过的多个位置，用平滑的曲线将各点连起来，从而得到小球做平抛运动的轨迹。 根据平抛运动的公式x＝v0t和y＝gt2，可求出小球做平抛运动的初速度。 四、实验步骤 1．用图钉把坐标纸钉在竖直木板上，在木板的左上角固定斜槽，并使其末端保持水平。 3．用悬挂在槽口的铅垂线把木板调整到竖直方向，并使木板平面与小球下落的竖直面平行且靠近，固定好木板。 3．把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口时球心在木板上的水平投影点O，再利用铅垂线在纸上画出通过O点的竖直线。 4．将小球从斜槽上合适的位置由静止释放，使小球的运动轨迹大致经过坐标纸的右下角。 5．把笔尖放在小球可能经过的位置，如果小球运动中碰到笔尖，用铅笔在坐标纸该位置画上一点。用同样的方法，从同一位置释放小球，在小球运动路线上描下若干点。 五、数据分析 1．根据实验记录，在坐标纸上描绘小球平抛运动的轨迹。 2．在平抛运动轨迹上选取几个水平间距相等的测量点，测出并计算相应物理量填入你设计的表格中。 3．观察描出的轨迹，与你熟悉的曲线进行比较，猜想y与x的关系，作出y­x2图像，验证你的猜想。 六、注意事项 1．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，若小球静止，则斜槽末端水平)。 2．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．小球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放。 4．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．小球开始滚下的位置高度要适中，以使小球做平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。 学生用书第51页 类型一　教材原型实验 一、实验原理与操作 (2022·广东中山市高一期中)(1)在做“科学探究：平抛运动的特点”实验时，除了木板、小球、斜槽、铅笔、图钉之外，下列器材中还需要的是________。 A．铅垂线　　B．秒表　　C．坐标纸　　D．天平　　E．弹簧秤 (2)实验中，下列说法正确的是________。 A．应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滑下 B．斜槽轨道必须光滑 C．斜槽轨道末端可以不水平 D．要使描出的轨迹更好地反映真实运动，记录的点应适当多一些 E．为了比较准确地描出小球运动的轨迹，应该用一条曲线把所有的点连接起来 解析：　(1)在做“科学探究：平抛运动的特点”实验时，除了木板、小球、斜槽、铅笔、图钉之外，还需要铅垂线，确保小球抛出是在竖直面内运动，还需要坐标纸，便于确定小球间的距离，故A、C正确，B、D、E错误。 (2)应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滑下，保证抛出的初速度相同，故A正确；为了能画出平抛运动轨迹，首先保证小球做的是平抛运动，所以斜槽轨道不一定要光滑，但必须是水平的，故B、C错误；要使描出的轨迹更好地反映真实运动，记录的点应适当多一些，故D正确；为了比较准确地描出小球运动的轨迹．误差大的点舍去，将误差小的几个点平滑连接起来，故E错误。 答案：　(1)AC　(2)AD 二、实验数据分析及处理 在“探究平抛运动的特点”的实验中，某同学将斜槽固定在桌子边缘，将贴有方格纸的方木板靠近斜槽固定，方格纸的横线与小球出射方向平行，每个格的边长L＝5 cm。正确调整后进行实验，让小球从斜槽上某一位置滚下。 (1)通过实验得到小球的运动轨迹，在轨迹上取一些点，以小球平抛运动的起点O为坐标原点，测量它们的水平坐标x和竖直坐标y，如图1所示的y ­x图像中可能正确反映小球运动轨迹的是________。 (2)某同学选取了小球在运动途中的三个位置，如图2所示，则该小球做平抛运动的初速度为________ m/s；B点的竖直分速度为________ m/s。(g取10 m/s2) 解析：　(1)小球水平方向做匀速直线运动，竖直方向受重力做匀加速直线运动，小球做曲线运动，运动轨迹弯向y轴正方向，故A正确，B、C、D错误。 (2)竖直方向有Δy＝y2－y1＝gT2， 根据图2知Δy＝(5×5－3×5) cm＝10 cm＝0.1 m 可得 T＝0.1 s 故小球平抛的初速度 v0＝＝ m/s＝1.5 m/s 小球过B点的竖直分速度 vy＝＝ ×10－2 m/s＝2 m/s。 答案：　(1)A　(2)1.5　2 针对练．(1)研究平抛运动，下列做法可以减小实验误差的是(　　) A．使用密度大、体积小的钢球 B．尽量减小钢球与斜槽间的摩擦 C．实验时，让小球每次都从同一高度由静止开始滚下 D．使斜槽末端的切线保持水平 (2)某同学在做研究平抛运动的实验时，忘记记下小球做平抛运动的起点位置O，A为小球运动一段时间后的位置，根据图所示，求出小球做平抛运动的初速度为________m/s。(g取10 m/s2) 解析：　(1)研究平抛运动时，钢球体积越小，受空气阻力影响越小，且记录小球通过的位置越准确，A正确；小球每次从斜槽上的同一位置由静止开始滚下，可保证小球的初速度不变，与钢球和斜槽间的摩擦无关，B错误，C正确；实验时必须使斜槽末端水平，以确保小球水平飞出，做平抛运动，D正确。 (2)由题图可知AB、BC间的竖直距离分别为 yAB＝15 cm＝0.15 m，yBC＝25 cm＝0.25 m。 因为xAB＝xBC＝0.20 m，所以小球从A运动到B与从B运动到C的时间相同，设此时间为t， 据yBC－yAB＝gt2得t＝＝ s＝0.10 s， 又因为xAB＝v0t，所以v0＝＝ m/s＝2.0 m/s。 答案：　(1)ACD　(2)2.0 学生用书第52页 类型二　拓展实验创新 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(图中P0P0′、P1P1′、…)，槽间距离均为d。把覆盖复写纸的白纸铺贴在平面硬板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：　本实验把小球通过的水平相等位移(即槽间距离d)，巧妙转化为题图中x轴上通过相同的位移(即向纸内侧平移距离d)，而竖直方向确定的落点为竖直位置，因而可画出平抛运动的轨迹。 (1)根据实验设计方案，实验前应对实验装置进行调节，使斜轨道末端切线水平，以保证小球飞出时的速度沿水平方向，小球做平抛运动。每次让小球从同一位置由静止释放的目的是使小球每次做平抛运动的初速度相同，轨迹相同。 (2)每次将B板向内侧平移距离d是为了保持记录纸上每两点之间的水平距离相同。 (3)如图所示(注意要用平滑的曲线连接)。 答案：　见解析 针对练1.频闪摄影是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中，照相机的快门处于常开状态，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光，照亮运动的物体，于是胶片上记录了物体在几个闪光时刻的位置。某物理小组利用图甲所示装置探究平抛运动规律。他们分别在该装置正上方A处和右侧正前方B处安装了频闪仪器并进行了拍摄，得到的频闪照片如图乙，O为抛出点，P为运动轨迹上某点。则根据平抛运动规律分析下列问题(g 取10 m/s2)： (1)乙图中，摄像头A所拍摄的频闪照片为 ______[选填“(a)”或“(b)”]。 (2)测得图乙(a)中的OP距离为45 cm，(b)中OP距离为30 cm，则平抛物体的初速度大小为________ m/s，小球在P点的速度大小应为________ m/s。 解析：　(1)小球做平抛运动时，水平方向是匀速直线运动，竖直方向是自由落体运动，故摄像头A所拍摄的频闪照片为(b)。 (2)竖直方向上y＝gt2得t＝ ＝ s＝0.30 s 水平方向上v0＝＝ m/s＝1 m/s。 P点小球在竖直方向的速度 v⊥＝gt＝10×0.3 m/s＝3 m/s 则vP＝ ＝ m/s。 答案：　(1)(b)　(2)1　 1．如图所示，在研究平抛运动时，小球A沿轨道滑下，离开轨道末端(末端水平)时撞开轻质接触式开关S，被电磁铁吸住的小球B同时自由下落(两小球相撞)。改变整个装置的高度H做同样的实验，发现位于同一高度的A、B两球总是同时落地，该实验现象说明了，A球在离开轨道后(　　) A．水平方向的分运动是匀速直线运动 B．水平方向的分运动是匀加速直线运动 C．竖直方向的分运动是自由落体运动 D．竖直方向的分运动是匀速直线运动 C　[这是一个对比实验，A球做平抛运动，B球做自由落体运动，其实是将A球竖直方向的分运动与B球的自由落体运动进行对比。实验时，改变整个装置的高度H做同样的实验，发现位于同一高度的A、B两球总是同时落地，由此可知A球在竖直方向上的分运动是自由落体运动。故C正确。] 2．在研究平抛运动的实验中，可以描绘物体做平抛运动的轨迹和求物体的平抛初速度。实验简要步骤如下： A．让小球多次从________位置由静止滚下，记下小球穿过卡片孔的一系列位置。 B．安装好器材，注意斜槽末端水平和平板竖直，记下斜槽末端小球球心在平板上的投影点O和画出过点O的竖直线。检测斜槽末端是否水平的方法是________。 C．测出曲线上某点的坐标x、y，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．取下坐标纸，以O为原点，以竖直线为y轴，以垂直竖直线的方向为x轴建立坐标系，用平滑曲线画出平抛轨迹。 (1)补充完整实验步骤。 (2)上述实验步骤的合理顺序是__________________________(只排列序号即可)。 解析：　(1)实验描绘的是平抛运动的轨迹，要保证小球做平抛运动，且同一条平抛运动轨迹对应唯一的初速度，所以要求小球每次都从同一位置由静止滚下；检测斜槽末端是否水平的方法是平衡法，即将小球静止放置在斜槽末端的不同位置，看它是否滚动，若均不滚动说明已经水平；根据平抛运动规律可知x＝v0t，y＝gt2，两式联立可得v0＝x 。 (2)实验应该按照以下顺序进行：首先安装器材，然后记录小球位置，接着描绘平抛轨迹，最后处理实验数据求初速度。所以合理顺序为BADC。 答案：　(1)同一　平衡法　x 　(2)BADC 学生用书第53页 3.两个同学根据不同的实验条件，进行了“研究平抛运动”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，两球同时落地，说明两球具有等时性，由此说明做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，说明水平方向上运动情况相同。改变弧形轨道M的高度，仍能观察到相同的现象，说明了平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。 答案：　(1)做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　做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动 4．如图甲是研究平抛运动的实验装置图，图乙是实验后在白纸上作的图。 　 (1)固定斜槽轨道时应注意使______________________________________________。 (2)实验过程中需经过多次释放小球才能描绘出小球平抛运动的轨迹，实验中应注意___________________________________________________________________________。 (3)计算小球平抛初速度的公式v0＝________，根据图乙给出的数据，可计算出v0＝________ m/s。(g取9.8 m/s2) 解析：　(1)为了保证小球离开斜槽轨道时的速度沿水平方向，应调整斜槽轨道使末端切线沿水平方向。 (2)为了保证小球每次做平抛运动的轨迹一致，要求它的初速度相同，故每次都使小球从斜槽的同一位置无初速度滚下。 (3)由于x＝v0t，y＝gt2，故初速度v0＝x ，根据图乙给出的数据，可计算出v0＝1.6 m/s。 答案：　(1)斜槽轨道末端切线沿水平方向 (2)使小球每次都从斜槽轨道的同一位置无初速度滚下 (3)x 　1.6 5．(2022·河南平顶山高一检测)在做研究平抛运动的实验时，用如图所示的装置确定小球在不同时刻所通过的位置。将一块平木板钉上复写纸和白纸，竖直立于槽口前某处且和斜槽所在的平面垂直，使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞在木板上留下点迹A；将木板向后移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞在木板上留下点迹B；将木板再向后移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，再得到点迹C。 (1)关于这个实验，下列选项中会增大实验误差的是______。 A．斜槽末端不水平 B．斜槽轨道不光滑 C．实验小球为泡沫球 D．每次从同一高度无初速度释放小球 (2)若测得木板每次后移距离x＝20.00 cm，A、B间距离y1＝4.70 cm，B、C间距离y2＝14.50 cm，根据以上直接测得的物理量推导出小球初速度的计算公式为v0＝________(用题中所给字母表示)；小球初速度值为________ m/s(g取9.80 m/s2，结果保留3位有效数字)。 解析：　(1)当斜槽末端切线没有调整水平时，小球脱离槽口后并非做平抛运动，但在实验中，仍按平抛运动分析处理数据，会造成较大误差，故斜槽末端切线不水平会造成误差，故A正确；只要让它从同一高度、无初速度开始运动，在相同的情形下，即使球与槽之间存在摩擦力，仍能保证球做平抛运动的初速度相同，因此，斜槽轨道不必要光滑，所以斜槽轨道不光滑不会引起实验误差，故B错误；实验小球为泡沫球，则受到的阻力较大，因此小球不是做平抛运动，所以实验小球为泡沫球会增大实验误差，故C正确；根据实验原理知，要求每次从同一高度无初速度释放小球，确保小球以同一初速度做平抛运动，所以每次从同一高度无初速度释放小球不会引起实验误差，故D错误。 (2)设时间间隔为t，由x＝v0t，y2－y1＝gt2得v0＝x 代入数据，解得v0＝2.00 m/s。 答案：　(1)AC　(2)x 　2.00 学生用书第54页 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