1.4 第1课时 平抛运动的实验研究-【金版教程】2024-2025学年高中物理必修第二册创新导学案课件PPT（教科版2019）

第一章　抛体运动 4.研究平抛运动的规律 第1课时 平抛运动的实验研究 能根据运动的合成与分解以及对比法分别探究平抛运动竖直方向和水平方向的分运动特点。 2 目录 1 2 课后课时作业 课前自主学习 课堂探究评价 3 课前自主学习 一　实验思路 1．利用____________，将平抛运动转化为我们所熟悉的、简单的运动。 2．由于物体是沿着水平方向抛出的，在运动过程中只受竖直向下的重力作用，因此可以尝试将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动。 二　实验方案 在水平和竖直两个方向中，先研究其中一个方向的运动规律，再设法分析另外一个方向的运动规律。 三　实验器材 两个相同的钢球、铁架台、__________(含小锤)、频闪照相机(或手机)、铅笔、_________。 运动的分解 平抛竖落仪 刻度尺 课前自主学习 5 课堂探究评价 探究1　探究过程·获取数据 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 7 活动1：如图甲所示，如何探究平抛运动竖直分运动的特点？ 活动2：探究平抛运动竖直分运动的特点时需要注意什么？ 提示：如图甲所示，用小锤击打弹片后，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。观察两球哪个先落地。分别改变小锤击打的力度和仪器离地面的高度，多次重复这个实验。实验时，也可以用耳朵“听”来判断两球落地时间的先后。 提示： ①用小锤水平击打在弹片中央位置，确保A球能够沿水平方向飞出；②调节好平抛竖落仪，确保用小锤击打弹片的同时B球被释放，自由下落；③A、B两小球选择体积小、质量大，且大小、材料、质量完全相同的小球；④确保A、B两球运动前高度相同，且落到同一水平面上。 课堂探究评价 8 活动3：如图乙，如何操作以获取钢球做平抛运动的照片？ 提示：(1)将记录纸固定在背板上，调节调平螺丝，观察重垂线，使面板处于竖直平面内，卡好定位板。装好平抛轨道，使轨道的抛射端处于水平位置。 (2)在记录纸上建立直角坐标系，坐标原点在钢球的中心离开轨道处，x轴沿水平方向，y轴沿竖直方向向下。 (3)闭合频闪照相机电源开关(或手机连拍功能开关)，将钢球从紧靠定位板处由静止释放，拍摄钢球做平抛运动的频闪照片。(若用手机连拍，则须用软件将多张照片合成到一张照片上) 课堂探究评价 9 活动4：由图乙装置获取平抛照片时应注意什么？ 提示：①调节铁架台，通过观察重垂线，使铁架台底座水平，从而使背板在竖直面内；②斜槽的末端必须调节水平；③钢球必须从同一位置由静止释放；④钢球应选比较小的，使记录的位置尽量准确；⑤频闪时间间隔应适当。 课堂探究评价 10 探究2　分析数据·得出结论 活动1：探究平抛运动竖直分运动的特点时，A、B两球哪个先落地？说明什么？ 提示：改变打击弹片的力度，小球A抛出时的初速度改变，两球始终同时落地，只是A球落地点的距离远近不同，这说明平抛物体抛出时的水平初速度大小不影响在空中运动的时间，只影响水平分运动的位移。改变仪器离地的高度，A、B两球仍然是同时落地，这说明做平抛运动的物体沿竖直方向的分运动与自由落体运动相同。 课堂探究评价 11 活动2：根据获得的平抛运动频闪照片，如何分析平抛运动的水平分运动和竖直分运动的规律？ 提示：(1)如图所示，描出小球做平抛运动的轨迹，并以抛出点为原点，以抛出时初速度方向为x轴正方向，以竖直向下为y轴正方向建立平面直角坐标系，将小球各位置的x坐标和y坐标都标示出来，它们分别是做平抛运动的小球的两个分运动各个时刻已发生位移的数值。 (2)根据频闪时间间隔一定，由直线运动规律分析两个分运动的规律。 课堂探究评价 12 活动3：分析数据，可得出什么结论？ 提示：测量沿x方向各段相等时间间隔内的位移值，发现Ox1＝x1x2＝x2x3＝x3x4＝x4x5，可以认为沿x方向的分运动是匀速直线运动；测量沿y方向各段相等时间间隔内的位移值，发现Oy1∶y1y2∶y2y3∶y3y4∶y4y5≈1∶3∶5∶7∶9，可以认为沿y方向的分运动是初速度为零的匀加速直线运动，再结合平抛竖落仪实验结果可知，沿y方向的分运动是自由落体运动。 课堂探究评价 13 探究3　误差分析·实验创新 1．A、B两球由于不完全相同，因而在空中所受阻力不同，产生误差。 2．探究平抛运动竖直方向分运动的特点时，用小锤击打弹片后，A球不能完全水平飞出，B球不能立即被释放、同时下落，产生误差。 3．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。 4．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。 5．确定并量取轨迹上各点坐标时不准确，会导致误差。 课堂探究评价 14 可用图中装置，研究水平方向的运动。在如图所示的装置中，两个相同的弧形轨道M、N分别用于发射小铁球P、Q。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。 将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，然后切断电源，使两小铁球能以相同的初速度v0同时分别从轨道M、N的下端射出。观察两小铁球是否同时到达E处，发生碰撞。增加或者减小轨道M的高度，再进行实验，观察两小铁球是否发生碰撞。(水平轨道光滑) 课堂探究评价 15 实验观察到两铁球发生碰撞，对球Q受力分析知其在水平轨道上做匀速直线运动，则说明做平抛运动的小铁球P在水平方向做匀速直线运动。再利用平抛竖落仪探究得到平抛运动的竖直分运动为自由落体运动，即得到平抛运动的运动规律。 课堂探究评价 16 探究4　典例探究·提升能力 例 如图所示为喷出细水流的数码相片，照片中刻度尺的最小刻度为毫米，细水流是水平喷出的，试根据该照片研究： (1)已知水流做平抛运动的水平分运动是匀速直线运动，找出研究其竖直分运动的方法，并证明竖直分运动是初速度为0的匀加速直线运动； (2)已知竖直方向分运动的加速度a＝10 m/s2，试求水流喷出的速度。 答案　 (1)见规范解答　(2)0.447 m/s 课堂探究评价 17 课堂探究评价 18 平抛运动是简单的曲线运动，可分解为两个简单的直线运动：水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。 课堂探究评价 19 [变式训练]　在“研究小球做平抛运动”的实验中： (1)某同学先观察了如图甲所示的演示实验，A、B两球同时落地，说明___________________________________；该同学设计了如图乙所示的实验：将两个斜滑道固定在同一竖直面内，最下端水平，把两个质量相等的小钢球，从斜面上相对各自槽口同一高度处由静止同时释放，滑道2与光滑水平板衔接，则他将观察到的现象是_______________________________，这说明______________________________________。 平抛运动在竖直方向上是自由落体运动 球1落到光滑水平板上并击中球2 平抛运动在水平方向上是匀速直线运动 课堂探究评价 20 (2)该同学用频闪照相机拍摄到如图丙所示的小球做平抛运动的照片，图中背景方格的边长为L＝5 cm，A、B、C是拍摄的三个小球位置，如果取g＝10 m/s2，那么： ①照相机拍摄时每________ s曝光一次； ②小球做平抛运动的初速度的大小为________ m/s。 0.1 1.5 课堂探究评价 21 解析　(1)题图甲中A、B两球同时落地，说明B球的平抛运动在竖直方向的分运动与A球的运动相同；题图乙中球1与球2恰好在水平板上相碰，说明球1在水平方向的分运动与球2的运动相同。 (2)①由Δy＝gT2，Δy＝2L＝0.1 m， 可得T＝0.1 s； ②由x＝v0T，x＝3L＝0.15 m， 可得v0＝1.5 m/s。 课堂探究评价 22 课后课时作业 1．为了探究平抛运动的特点，将小球A和B置于 同一高度，在小球A做平抛运动的同时由静止释放小 球B，如图1所示。同学甲直接观察两小球是否同时落 地，同学乙拍摄频闪照片进行测量、分析，如图2所示。 通过多次实验(　　) A．只有同学甲能证明平抛运动在水平方向是匀速运动 B．两位同学都能证明平抛运动在水平方向是匀速运动 C．只有同学甲能证明平抛运动在竖直方向是自由落体运动 D．两位同学都能证明平抛运动在竖直方向是自由落体运动 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 解析　实验中，改变装置高度和平抛小球的初速度大小，同学甲观察发现两球同时落地，说明平抛运动在竖直方向上是自由落体运动，不能得出水平方向上的运动规律。同学乙通过拍摄频闪照片，发现自由落体运动的小球与平抛运动的小球任何一个时刻都在同一水平线上，知平抛运动在竖直方向上的运动规律与自由落体运动相同；频闪照片显示平抛小球在水平方向相等时间内的水平位移相等，知水平方向做匀速直线运动。故D正确，A、B、C错误。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 2．如图，在探究平抛运动的水平分运动的规律的实验中，下列哪些因素对探究规律没有影响(　　) A．弧形轨道末端不水平 B．弧形轨道不光滑 C．实验小球为轻质小球 D．水平轨道不光滑 解析　弧形轨道末端不水平，小球抛出后不做平抛运动，对实验有影响，故A错误；只要两小球在轨道末端速度水平且大小一致即可，弧形轨道是否光滑对实验没有影响，故B正确；实验小球为轻质小球，空气阻力对小球影响较大，故C错误；水平轨道不光滑，沿水平轨道运动的小球做减速直线运动，对实验有影响，故D错误。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 3．(多选)在探究平抛运动的规律时，可以选用 如图所示的各种装置图，则以下操作合理的是(　　) A．选用装置图甲研究平抛物体的竖直分运动时，只能用眼睛看A、B两球是否同时落地 B．选用装置图乙并要获得稳定的细水柱显示出平抛运动的轨迹，竖直管上端A一定要低于水面 C．选用装置图丙并要获得钢球做平抛运动的轨迹，每次不一定从斜槽上同一位置由静止释放钢球 D．除上述装置外，还可以用数码照相机拍摄钢球做平抛运动时每秒15帧的录像以获得平抛运动的轨迹 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 解析　小球下落的速度很快，运动时间很短，用眼睛很难准确判断出小球落地的先后顺序，用听声音的方法更好，A错误；竖直管的上端A应低于水面，这是因为竖直管与空气相通，A处的压强始终等于大气压，不受瓶内水面高低的影响，因此可以得到稳定的细水柱，B正确；题图丙中，只有每次从同一位置由静止释放钢球，钢球做平抛运动的初速度才相同，C错误；获得每秒15帧的录像就等同于做平抛运动实验时描不同时刻的位置，同样可以获得平抛运动的轨迹，D正确。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 4．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，图中y­x2图像能说明平抛小球在水平方向做匀速直线运动、在竖直方向做自由落体运动的是(　　) 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 5．(1)甲同学通过实验，得到了钢球做平抛运动的轨迹，如图甲中的曲线OP所示。以O点为坐标原点，水平方向为x轴、竖直方向为y轴建立坐标系。已知小球在y方向的分运动是自由落体运动，他猜想小球在x方向的分运动是匀速直线运动。请你根据图甲，简要说明如何验证该同学的猜想。 ____________________________________________________________ 见解析 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 (2)乙同学采用频闪照相的方法拍摄到如图乙所示的小球做平抛运动的照片，小球在平抛运动中的几个位置如图中的a、b、c、d所示，图中每个小方格的边长为L＝2.5 cm，则该小球经过b点时的速度大小vb＝________ m/s。(结果保留三位有效数字，g取10 m/s2) 1.25 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 6．假设在一个未知星球上用如图甲所示的装置研究平抛运动的规律。悬点O正下方P点处有水平放置的炽热电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出做平抛运动。现对小球利用频闪数码照相机连续拍摄，在有坐标纸的背景屏前拍下了小球做平抛运动的多张照片，经合成后，照片如图乙所示。a、b、c、d为连续四次拍下的小球位置，已知照相机连续拍照的时间间隔是0.10 s，照片大小如图中坐标所示，又知该照片的长度与实际背景屏的长度之比为1∶4，则： 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 (1)由以上信息，可知a点________(选填“是”或“不是”)小球的抛出点； (2)由图乙信息，可以推算出该星球表面的重力加速度大小为________ m/s2； (3)由图乙信息，可以算出小球平抛的初速度大小是________ m/s； (4)由图乙信息，可以算出小球在b点时的速度大小是________ m/s(结果可带根号)，方向__________________________。 是 8 0.8 与水平方向成45°角斜向下 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 规范解答　(1)已知水流做平抛运动的水平分运动是匀速直线运动，可以按水平方向的距离都等于2 cm选取几个点，发现这几个点恰好落在坐标纸格线的交点上，如(2，1)、(4，4)、(6，9)…，可见在相等的时间间隔内，竖直方向的位移之比恰好等于1∶3∶5…，证明平抛运动在竖直方向的分运动是初速度为0的匀加速直线运动。 (2)观察发现，水流在水平方向的位移是0.04 m时，在竖直方向的位移也是0.04 m，根据x＝v0t，h＝eq \f(1,2)at2，得水流喷出的速度v0＝xeq \r(\f(a,2h))≈0.447 m/s。 解析　若平抛小球在水平方向做匀速直线运动、在竖直方向做自由落体运动，则在水平方向有x＝v0t，在竖直方向有y＝eq \f(1,2)gt2，联立并消去t，可得y＝2,0)eq \f(g,2v) x2，故C正确。 解析　(1)如图所示，在曲线OP上取A、B、C、D四个点，这四个点对应的坐标分别为(xA，yA)、(xB，yB)、(xC，yC)、(xD，yD)，使yA∶yB∶yC∶yD＝1∶4∶9∶16，即从O运动到A、B、C、D所用时间之比为tA∶tB∶tC∶tD＝1∶2∶3∶4，若xA∶xB∶xC∶xD＝1∶2∶3∶4，则说明钢球在x方向的分运动为匀速直线运动。 (2)设频闪照相的时间间隔为T，在竖直方向上由Δy＝L＝gT2，解得T＝0.05 s，根据水平方向小球做匀速运动有2L＝v0T，解得v0＝1.0 m/s，小球经过b点时竖直方向上的分速度vy＝eq \f(yac,tac)＝eq \f(3L,2T)＝0.75 m/s，所以小球经过b点时的速度大小vb＝2,0)eq \r(v＋veq \o\al(2,y)) ＝1.25 m/s。 0.8eq \r(2) 解析　(1)因为竖直方向上连续相等时间内的位移之比是1∶3∶5，符合初速度为零的匀加速直线运动的特点，由此可知，小球在a点的竖直分速度为零，a点是小球的抛出点。 (2)该照片的长度与实际背景屏的长度之比为1∶4，可得小正方形的边长对应的实际长度为l＝4 cm；竖直方向上有Δy＝2l＝g′T2，解得该星球表面的重力加速度大小为g′＝eq \f(2l,T2)＝eq \f(2×4×10－2,0.102) m/s2＝8 m/s2。 (3)小球在水平方向做匀速直线运动，则小球平抛的初速度大小是v0＝eq \f(2l,T)＝eq \f(2×4×10－2,0.10) m/s＝0.8 m/s。 (4)小球在b点时的竖直分速度vby＝eq \f(4l,2T)＝eq \f(4×4×10－2,2×0.10) m/s＝0.8 m/s，则小球在b点时的速度大小为vb＝2,0)eq \r(v＋veq \o\al(2,by)) ＝eq \r(0.82＋0.82) m/s＝0.8eq \r(2) m/s。设小球在b点时的速度方向与水平方向的夹角为θ，由几何关系知tanθ＝eq \f(vby,v0)＝1，解得θ＝45°，即小球在b点时的速度方向与水平方向成45°角斜向下。 $$