第5章 3.实验：探究平抛运动的特点-【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（人教版2019）

第五章　抛体运动 3.实验：探究平抛运动的特点 1．知道什么是抛体运动和平抛运动。2.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 明确原理　提炼方法 典例探究　提升能力 3 3 明确原理　提炼方法 一、实验目的 探究物体做平抛运动时，物体的速度和位移随时间的变化关系。 二、实验思路 1．由于物体是沿着水平方向抛出的，在运动过程中只受到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。 明确原理　提炼方法 5 2．实验方案 方案一：用频闪照相或者录制视频等方法记录做平抛运动的物体经过相等时间间隔所到达的位置，获得水平方向和竖直方向的位移随时间变化的具体数据，便可以独立分析水平方向和竖直方向的运动规律。 方案二：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。 明确原理　提炼方法 6 3．实验器材(方案二) (1)探究平抛运动竖直分运动特点的实验器材：小锤一个、相同的小钢球两个、平抛竖落仪一个。 (2)探究平抛运动水平分运动特点的实验器材：斜槽、钢球、白纸、复写纸、铅垂线、铅笔、刻度尺、平抛铁架台(有背板及水平放置的可上下调节的挡板)。 明确原理　提炼方法 7 三、进行实验 1．探究平抛运动竖直分运动的特点 如图甲所示，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。观察两球哪个先落地。分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，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。 明确原理　提炼方法 8 2．探究平抛运动水平分运动的特点 在图乙所示的装置中，斜槽M末端水平。钢球在斜槽中从某一高度自由滚下，从末端飞出后做平抛运动。在装置中有一个水平放置的可上下调节的倾斜挡板N，钢球飞出后，落到挡板上。实验前，先将一张白纸和复写纸固定在装置的背板上。钢球落到倾斜的挡板上后，就会挤压复写纸，在白纸上留下印迹。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。最后，用平滑曲线把这些印迹连接起来，就得到钢球做平抛运动的轨迹。 根据得出的平抛运动在竖直方向分运动的规律，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。 明确原理　提炼方法 9 四、数据分析 1．探究平抛运动竖直分运动的特点时，A、B两球同时落地。改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，重复实验时，两球在空中的运动时间和A球的水平初速度大小发生改变，但A、B两球总是同时落地。说明A球在竖直方向的运动与B球完全相同，平抛运动在竖直方向的运动为自由落体运动。 明确原理　提炼方法 10 2．探究平抛运动水平分运动的特点时，得到钢球做平抛运动的轨迹后，一般以钢球出槽口时球心在白纸上的投影点为坐标原点，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴。如图曲线OP是钢球做平抛运动的轨迹，竖直分运动为自由落体运动，以起点开始，相邻相等时间间隔的位移之比为1∶3∶5∶7∶…，在y轴上从O点起，据此量出各段位移，即可确定“相等的时间间隔”。 明确原理　提炼方法 11 3．根据运动的合成与分解，测出相等时间间隔内的水平位移，可得平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动。 4．由实验探究可知，平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动。 五、误差分析 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．探究平抛运动竖直分运动的特点时，用小锤击打弹性金属片后，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。 明确原理　提炼方法 12 3．安装斜槽时，其末端切线不水平，导致钢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．钢球每次自由滚下时起始位置不完全相同，导致轨迹出现误差。 6．确定钢球运动的位置时不准确，会导致误差。 7．量取轨迹上各点坐标时不准确，会导致误差。 明确原理　提炼方法 13 六、注意事项 1．探究平抛运动竖直分运动的特点时需要注意的事项：①用小锤水平击打在弹性金属片中央位置，确保A球能够沿水平方向飞出；②调节好平抛竖落仪，确保用小锤击打弹性金属片的同时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。 明确原理　提炼方法 14 2．探究平抛运动水平分运动的特点时需要注意的事项：①调节铁架台，通过观察铅垂线，使铁架台底座水平，从而使挡板N水平，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滚下；④钢球应选比较小的，使记录的位置尽量准确；⑤钢球开始滚下的位置高度要适中，以使钢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。 明确原理　提炼方法 15 典例探究　提升能力 一、实验原理与操作 例1　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，下面的滑道与光滑水平板衔接，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 典例探究　提升能力 (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 典例探究　提升能力 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。 典例探究　提升能力 二、数据处理与误差分析 例2　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)见解析　(2)0.447 m/s 典例探究　提升能力 典例探究　提升能力 [跟进训练]　(2024·陕西省汉中市高一下期末)某同学研究“平抛运动的特点”。让小球从斜槽上滚下，经过水平槽飞出后做平抛运动，用铅笔描出小球经过的位置，通过多次实验，在竖直白纸上记录小球所经过的位置，用平滑的曲线画出小球做平抛运动的轨迹。 (1)实验过程中，要建立直角坐标系，下图中，建立坐标原点正确的是________。(填正确选项前的字母) C 典例探究　提升能力 (2)研究平抛运动时，下列做法可以减小实验误差的是________。(填正确选项前的字母) A．尽量减小球与斜槽间的摩擦 B．使用密度小、体积大的球 C．小球每次都从同一位置由静止开始滚下 D．使斜槽末端切线保持水平 (3)该同学记录小球运动过程中A、B两点的位置，如图所示，取某点为坐标原点O′，则小球从A点运动到B点的时间为________ s；小球做平抛运动的初速度大小为________ m/s。(g＝10 m/s2) CD 0.1 2 典例探究　提升能力 解析：(1)应以小球在斜槽末端时，球心在白纸上的投影为坐标原点，故A、B、D错误，C正确。 (2)小球与斜槽间的摩擦对实验无影响，A错误；使用密度大、体积小的球可减小阻力的影响，B错误；小球每次都从同一位置由静止开始滚下，以保证每次均以相同的初速度做平抛运动，C正确；使斜槽末端切线保持水平，以保证小球离开斜槽时的速度沿水平方向，即保证小球离开斜槽后做平抛运动，D正确。 典例探究　提升能力 典例探究　提升能力 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 7 8 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 7 8 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 7 8 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，应该用眼睛看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 7 8 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，应听声音，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，则右管上端处的压强大于大气压强且恒定，因此可以得到稳定的细水柱，B正确；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方格图的方法，同样可以探究平抛运动的规律，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 4．(2023·江苏省淮安市高一上期末)某研究小组利用频闪照相技术探究平抛运动规律时，将自由落体运动与平抛运动类比得出运动规律与结论。两小球运动的频闪照片如图所示。拍摄时，光源的频闪频率为10 Hz，a球从A点水平抛出的同时，b球从B点开始下落，照片上的小方格为相同的正方形。重力加速度g取10 m/s2，不计阻力。根据照片显示的信息，下列说法中正确的是(　　) A．只能确定b球的运动是自由落体运动 B．不能确定a球沿竖直方向的运动是自由落体运动 C．a球在水平方向做匀加速直线运动 D．可以确定a球的运动是水平方向的匀速直线运动 和竖直方向的自由落体运动的合成 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 解析：不计阻力，b球从B点开始下落的运动是自由落体运动，分析a球在竖直方向的运动，每次闪光a球下落的距离与b球下落的距离相同，因此a球在竖直方向的运动与b球的运动相同，都是自由落体运动；由于每次闪光的时间间隔相同，在水平方向上，在相等时间间隔内a球的水平位移相等，则a球在水平方向上做匀速直线运动，故可以确定a球的运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成，故D正确，A、B、C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 5．在“研究平抛运动”实验中， (1)图1是用横挡条卡住平抛小球，用铅笔标注小球最高点，确定平抛运动轨迹的方法，坐标原点应选小球在斜槽末端点时的________在坐标纸上的投影点。 A．球心 　　　　　B．球的上端　　　　　　C．球的下端 在此实验中，下列说法正确的是________。 A．斜槽轨道必须光滑 B．记录的点应适当多一些 C．用平滑曲线把所有的点连接起来 B BD 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 (2)图2是利用图1装置拍摄小球做平抛运动的频闪照片，由照片可判断实验操作错误的是________。 A．释放小球时初速度不为0 B．释放小球的初始位置不同 C．斜槽末端切线不水平 C 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 解析：(1)由题干中确定小球平抛运动轨迹的方法及实验原理知，坐标原点应选球在斜槽末端点时小球的上端在坐标纸上的投影点，所以选B。 实验过程中，斜槽轨道不一定光滑，只要能够保证小球从同一位置由静止释放，即使轨道粗糙，离开斜槽末端的速度也是一样的，所以A错误；记录点应适当多一些，能够保证描点所得的轨迹更平滑、准确，B正确；描点时与平滑曲线偏差过大的点需舍去，C错误；y轴必须是竖直方向，即用铅垂线确定，D正确。 (2)由题图2中小球做斜抛运动，可知斜槽末端切线不水平，C符合题意。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 6．在做“研究平抛运动”的实验时，通过描点法画出小球平抛运动的轨迹，并求出平抛运动的初速度，实验装置如图所示。 (1)实验时将固定有斜槽的木板放在实验桌上，实验前要检查木板是否水平，请简述你的检查方法：__________________________________________________　__________________________________________。 将小球放在水平木板的任意位置，小球静止不动，则木板水平(或用水平仪检查木板是否水平等) 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 (2)关于这个实验，下列说法正确的是________。 A．小球释放的初始位置越高越好 B．斜槽必须光滑 C．实验前要用铅垂线检查坐标纸上的竖线是否竖直 D．小球的平抛运动要靠近木板但不接触 (3)在做“研究平抛运动”的实验时，坐标纸应当固定在竖直的木板上，图中坐标纸的固定情况与斜槽末端的关系正确的是________。 CD C 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 解析：(1)要检查木板是否水平，可以将小球放在水平木板的任意位置，看小球能否静止，或用水平仪检查木板是否水平等。 (2)小球释放的初始位置并非越高越好，若是太高，导致水平抛出的速度太大，描出的平抛轨迹太短，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，但斜槽不必光滑，故B错误；为了正确描绘其轨迹，必须确保坐标纸上的竖线是竖直的，故C正确；实验要求小球抛出后不能碰到竖直木板平面，避免因摩擦而使运动轨迹改变，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 (3)斜槽末端是水平的，小球做平抛运动，要分解为水平和竖直方向的分运动，故坐标纸上的格线应该水平竖直，在坐标纸上选取的坐标原点应该与小球在斜槽末端静止时在竖直木板上的投影重合，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 7．(2024·福建省宁德市高一下期末)用如图甲所示的装置研究平抛运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直硬板上，钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从末端水平飞出，落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低，钢球落在挡板上时会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板，依次重复上述操作，白纸上将留下一系列痕迹点。某实验小组得到如图乙所示的痕迹点。 (1)下列实验要求正确的是________。 A．所用的斜槽应光滑 B．挡板MN应等间距下移 C．每次应从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球 C 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 (2)请在图乙中画出钢球平抛运动的轨迹。 (3)某同学用一张方格纸记录轨迹，确保了方格纸的左边缘为竖直方向，却忘记标注坐标原点，得到4个点迹如图丙所示。已知小方格的边长L＝2.5 cm，取重力加速度g＝10 m/s2，钢球水平抛出时的初速度v0＝________ m/s。(保留两位有效数字) 答案：如图所示 1.0 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 解析：(1)为了保证钢球每次抛出的速度相同，每次应从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球，但所用的斜槽不需要光滑，故A错误，C正确；挡板MN不需要等间距下移，故B错误。 (2)舍去偏离较大的点，用平滑曲线将其余点连接起来，不能落在线上的点均匀分布在线的两侧，则钢球平抛运动的轨迹如图所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 8．某物理实验创新小组的几名同学对“研究平抛运动”的实验进行了改进，获得了老师的肯定。他们的实验装置如图所示，实验步骤如下： ①安装好器材，将斜槽轨道的末端调整水平； ②在一块平木板表面钉上复写纸和白纸，并 将该木板面向槽口且竖直立于槽口附近； ③使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放， 小球撞到木板上并在白纸上留下痕迹A； ④将木板向远离槽口的方向平移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞到木板上并在白纸上留下痕迹B； 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 ⑤将木板再向远离槽口的方向平移距离x，小球还从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，在白纸上留下痕迹C； ⑥测出A、B间的距离y1，B、C间的距离y2。 已知当地重力加速度为g，小球做平抛运动的初速度v0＝_____________(用x、y1、y2、g表示)。 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析　(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 cm，1 cm)、(4 cm，4 cm)、(6 cm，9 cm)…，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h＝eq \f(1,2)at2，得水流喷出的速度v0＝eq \f(x,t)＝xeq \r(\f(a,2h))≈0.447 m/s。 (3)从O′到A和从A到B小球沿x轴的位移相等，则时间间隔相等，设为T，由匀变速直线运动的规律，小球在竖直方向有Δy＝gT2，其中Δy＝40 cm－15 cm－15 cm＝0.1 m，解得T＝0.1 s，则小球做平抛运动的初速度大小v0＝eq \f(x,T)＝eq \f(20×10－2,0.1) m/s＝2 m/s。 (3)由题图丙可知，相邻两个点迹间的水平位移相等，则相邻两个点迹间钢球运动时间相等，设为T，在竖直方向上，根据Δy＝L＝gT2，可得T＝eq \r(\f(L,g))＝eq \r(\f(2.5×10－2,10)) s＝0.05 s，在水平方向上，根据2L＝v0T，可得钢球水平抛出时的初速度v0＝eq \f(2L,T)＝eq \f(2×2.5×10－2,0.05) m/s＝1.0 m/s。 xeq \r(\f(\a\vs4\al(g),y2－y1)) 解析：因每次移动木板的水平距离相等，小球在水平方向做匀速直线运动，因此小球在水平方向经相等的距离x所用时间T相等，小球在竖直方向做自由落体运动，所以在竖直方向有y2－y1＝gT2，解得T＝eq \r(\f(y2－y1,g))，小球在水平方向为匀速直线运动，则小球做平抛运动的初速度为v0＝eq \f(x,T)＝xeq \r(\f(\a\vs4\al(g),y2－y1))。 $$