第5章 第3节 实验：探究平抛运动的特点（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第二册（人教版 江苏专用）

第3节　实验：探究平抛运动的特点 (实验课基于经典科学探究) 一、实验装置 　方案(一)：频闪照相法 　方案(二)：分步法探究 二、实验原理 　　用频闪照相的方法或研究平抛运动的实验装置得出小球做平抛运动的不同时刻的位置，用平滑曲线连接各位置，得到小球做平抛运动的轨迹。以小球做平抛运动的起点为坐标原点，沿水平方向和竖直向下的方向建立直角坐标系，根据各点坐标数据研究小球在水平方向和竖直方向的运动规律。 一、进行实验 方案(一)　频闪照相法探究平抛运动的特点 1.实验步骤 (1)安装斜槽轨道，使其末端保持水平。 (2)将小球从斜槽上适当位置由静止释放，用频闪照相机记录下小球在不同时刻的位置，如图甲所示。 (3)选频闪照片中第一个小球球心为原点建立平面直角坐标系，测量出每个小球(或每3个小球)的球心相对应的x轴坐标和y轴坐标，如图乙所示。 (4)根据频闪照相的特点，若频闪周期为T，每相邻两球的时间间隔相等，都是T，则图乙中OA、AB、BC的时间间隔就是3T，将所测的数据填入表格。 O A B C x轴坐标 0 x1 x2 x3 y轴坐标 0 y1 y2 y3 2.数据处理 (1)水平方向：数据满足x1-0=x2-x1=x3-x2=…，则说明小球在水平方向上做匀速直线运动。 (2)竖直方向：根据坐标计算每一段时间间隔内的位移，然后计算出相邻相等时间内的位移差，若相等，则说明小球在竖直方向上做匀加速直线运动，由于小球在竖直方向上只受重力作用，加速度为g。如果O点是平抛运动轨迹的初始点，则小球在竖直方向上的初速度为0，小球在竖直方向上做自由落体运动。 方案(二)　分步法探究平抛运动的特点 第1步　探究平抛运动竖直分运动的特点 (1)如图所示的实验装置，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，比较两球落地时间的先后。 (2)分别改变小球距地面的高度和小锤击打的力度，从而改变小球下落时间和A球平抛的初速度，比较两球落地时间的先后。 (3)结论：两球总是同时落地，说明平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动。 第2步　探究平抛运动水平分运动的特点 (1)如图所示，调整安装有斜槽的实验装置，使平板竖直，实验前，先将一张白纸和复写纸固定在平板上，斜槽M的末端水平。 (2)在白纸上记录下小钢球平抛的起点O，作为坐标原点，记录下重垂线的方向。 (3)让小钢球在斜槽某高度由静止滚下，小钢球平抛后，落在倾斜挡板N上后，挤压复写纸，在白纸上留下印迹。 (4)上下调节挡板N，通过多次实验，每次使小钢球从斜槽上相同位置由静止滚下，在白纸上记录小钢球所经过的多个位置。 (5)用平滑曲线把这些印迹连接起来，就得到小钢球做平抛运动的轨迹。 (6)确定“相等的时间间隔”，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。 (7)结论：平抛运动在相等时间内水平方向位移相等，平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动。 二、误差分析 1.斜槽末端没有调整至水平，小球离开斜槽后不做平抛运动。 2.小球做平抛运动的起点记录有误。 3.小球运动轨迹连接不准确。 4.间隔测量不准确。 三、注意事项 1.斜槽调整 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.平板固定 平板必须处于竖直平面内，固定时要用重垂线检查平板是否竖直。 3.小球释放 (1)小球每次必须从斜槽上同一位置自由滚下。 (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白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平板上的投影点。 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。 [关键点反思] 1.在做“探究平抛运动的特点”实验中，小球能从不同的高度释放吗? 2.如图是小球做平抛运动的频闪照片，由照片判断实验操作错误的原因是什么? 考法(一)　实验基本操作 [例1]　(2025·通州高一期末)用如图所示的实验方案来研究平抛运动的特点。在一块竖直放置的背景板上固定两个相同的弧形轨道A、B，用于释放小铁球，斜槽末端切线均水平，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，该小铁球中心与从轨道A射出的小铁球中心在同一水平线上，调节小铁球3的位置多次实验，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　　　；调节电磁铁C、D到斜槽末端等高的不同位置，发现小铁球1和小铁球2总能相碰，则说明小铁球1　　　。(均填选项前的字母)  A.竖直方向做匀速直线运动 B.竖直方向做自由落体运动 C.水平方向做匀加速直线运动 D.水平方向做匀速直线运动 听课记录： [微点拨] (1)斜槽末端水平是保证小铁球飞出时初速度沿水平方向，即小铁球飞出后做平抛运动。 (2)根据小铁球1、3总是在空中相碰，即竖直方向上的运动规律相同，得出小铁球1做平抛运动时在竖直方向的运动规律。 (3)根据小铁球1、2总能相碰，即水平方向上的运动规律相同，得出小铁球1做平抛运动时在水平方向上的运动规律。 考法(二)　数据处理和误差分析 [例2]　(2025·仪征高一期中)某实验小组用如图甲所示的装置研究平抛运动及其特点，具体的实验操作是：在小球A、B处于同一高度时，用小锤轻击弹性金属片，使A球水平飞出，同时B球被松开下落。 (1)用图甲装置进行实验的现象是小球A、B同时落地，说明 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；  (2)现将小球A、B恢复初始状态后，用比较大的力敲击弹性金属片，A球落地点变远，则在空中运动的时间　　　　　　(填“变大”“不变”或“变小”)；  (3)安装图乙装置研究平抛运动时，保证斜槽末端水平，斜槽　　　　　　(填“需要”或“不需要”)光滑；  (4)然后小明用图乙所示方法记录平抛运动的轨迹，由于没有记录抛出点，如图丙所示，数据处理时选择A点为坐标原点(0，0)，丙图中小方格的边长均为20 cm，重力加速度g取10 m/s2，则小球平抛初速度的大小为　　　　　m/s，小球在B点速度的大小为　　　　　m/s。  听课记录： [微点拨] (1)平抛运动在水平方向的分运动为匀速直线运动，竖直方向的分运动为自由落体运动，根据竖直方向的运动可求T，由水平方向的运动可求v0。 (2)轨迹的坐标原点不一定是平抛运动的起点。 考法(三)　源于经典实验的创新考查 [例3]　如图，探究平抛运动的特点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(到达光电门开始计时)，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。改变小球在斜槽轨道上滑下的起始位置，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。 v0/(m·s-1) 0.741 1.034 1.318 1.584 t/ms 292.7 293.0 292.8 292.9 d/cm 21.7 30.3 38.6 46.4 (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。  (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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 听课记录： [创新分析] (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)理论值与测量值存在差值的探究。 [例4]　(2025·苏州中学高一开学考试)某同学利用光电门和如图所示的器材探究平抛运动的特点。斜槽和水平轨道平滑连接置于水平桌面上，水平轨道末端安装一光电门，使得直径为D的钢球通过光电门时光线正好射向钢球球心。在水平地面的竖直挡板上附有复写纸和白纸，钢球运动至竖直挡板时在白纸上留下点迹。 (1)依次将挡板水平向右移动距离x，重复实验，在白纸上留下点迹A、B、C，钢球每次　　　　　 　(填“需要”或“不需要”)从同一位置释放。  (2)测量AB、BC竖直距离分别为y1和y2，光电门的挡光时间为t，钢球做平抛运动的初速度大小为　　　　 　；打下相邻两点的时间间隔T=　　　　 　；钢球竖直方向的加速度大小a=　　　　 　。(均用题中物理量表示)。  听课记录： [创新分析] (1)利用安装在水平轨道末端的光电门可以直接测量钢球平抛运动的初速度。 (2)等间距水平移动竖直挡板，得到钢球在白纸上留下的相邻痕迹对应的时间间隔相等。 (3)由T=可求时间间隔，再由Δy=aT2可求出钢球在竖直方向的加速度。 1.如图是“探究平抛运动的特点”的实验装置，横挡板在不同高度卡住平抛运动的小球来确定小球运动的轨迹，下列操作正确的有 (　　) A.不必保持斜槽末端切线水平 B.调整硬木板使其与小球下落的竖直面平行 C.测量同一条轨迹时，小球每次可以从不同高度静止释放 D.用折线连接描绘的点得到小球的运动轨迹 2.两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，击打弹性金属片，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，两个相同的弧形光滑轨道M、N，N的末端与光滑的水平板相切，两小球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.频闪摄影是研究变速运动常用的实验方法。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。某物理实验小组利用如图甲所示装置探究平抛运动的规律，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所示，O为抛出点，P为运动轨迹上某点。根据平抛运动的规律分析下列问题。 (1)图乙中，频闪仪器A所拍摄的频闪照片为　　　[选填“(a)”或“(b)”]。  (2)乙图中频闪照片(b)可以说明　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  4.(2025·扬州高一期中)某实验小组用频闪周期一定的照相机来探究平抛运动的特点，在坐标纸上记录了小球做平抛运动的三个位置A、B、C，A点为坐标原点，x轴、y轴方向分别为水平、竖直方向，坐标纸上小方格的边长为5 cm，重力加速度大小取10 m/s2，请回答下列问题： (1)坐标纸上的A点　　　　 　(选填“是”或“不是”)小球做平抛运动的抛出点。  (2)该照相机的频闪周期为　　　　 　s。  (3)小球刚抛出时的水平初速度大小为　　　　　　m/s。  5.(2025·连云港高一期中)某实验小组同学进行了“探究平抛运动的特点”实验，具体如下(部分步骤省略)： (1)如图1所示，用小锤击打弹性金属片，A球沿水平方向抛出，同时B球由静止自由下落，可观察到两小球同时落地；多次实验，结论不变。根据实验，　　　　 　(选填“能”或“不能”)判断出A球在竖直方向做自由落体运动。  (2)如图2所示，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PO滑下后从O点飞出，落在水平挡板MN上，白纸上将留下一系列痕迹点。为了保证钢球每次以相同的初速度从O点水平飞出，下列实验条件必须满足的是　　　　 　。  A.斜槽轨道光滑 B.斜槽轨道末端水平 C.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球 (3)若该组同学做实验时，未标抛出点O，只记录了A、B、C三点，于是就取A点为坐标原点，建立了如图3所示的坐标系，根据图3中数据可计算小球平抛的初速度为　　　　　m/s(取g=10 m/s2)。  第3节　实验：探究平抛运动的特点 1．提示：不能，因为只有从同一高度释放小球才能保证小球平抛的初速度不变。 2．提示：斜槽末端没有调节水平。 [例1]　解析：调节小铁球3的位置多次实验，发现小铁球1和小铁球3总是在空中相碰，则说明两铁球在竖直方向的运动完全相同，则小铁球1在竖直方向做自由落体运动，故选B；调节电磁铁C、D到斜槽末端等高的不同位置，发现小铁球1和小铁球2总能相碰，则说明两铁球在水平方向的运动相同，则小铁球1水平方向做匀速直线运动，故选D。 答案：B　D [例2]　解析：(1)用题图甲装置进行实验时，小球A做平抛运动，小球B做自由落体运动，则实验现象是小球A、B同时落地，说明小球A在竖直方向的分运动是自由落体运动。 (2)将小球A、B恢复初始状态后，用比较大的力敲击弹性金属片，A球落地点变远，下落的高度不变， 由自由落体运动下落时间t＝可知，则在空中运动的时间不变。 (3)安装图乙装置研究平抛运动时，保证斜槽末端水平，使小球每次都做平抛运动，由于小球每次都是从斜槽上同一位置开始释放，小球在轨道上运动时克服阻力做功都相同，因此斜槽不需要光滑。 (4)由题图丙可知，两计数点间，小球在水平方向的位移相等，可知两计数点间的时间间隔相等，小球在竖直方向做自由落体运动，因此由匀变速直线运动的推论Δy＝gT2，可得T＝＝ s＝0.2 s，则小球平抛初速度的大小为v0＝＝ m/s＝3 m/s; 由匀变速直线运动在某段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，可得小球在B点y轴方向速度的大小为vy＝＝ m/s＝4 m/s，小球在B点速度的大小为vB＝＝ m/s＝5 m/s。 答案：(1)小球A在竖直方向的分运动是自由落体运动 (2)不变　(3)不需要　(4)3　5 [例3]　解析：(1)由题表中数据可知，在h一定时，小球的水平位移d与其初速度v0成正比关系。 (2)该同学计算时重力加速度取的是10 m/s2，而实际重力加速度约为9.8 m/s2，故导致约3 ms的偏差。 (3)光电门传感器置于槽口的内侧，使时间的测量值大于理论值，且初速度越大，二者差值越小。 答案：(1)正比　(2)计算时重力加速度取的值是10 m/s2，大于实际值　(3)见解析 [例4]　解析：(1)为保证钢球沿同一轨迹运动，则钢球每次需要从同一位置释放。 (2)钢球做平抛运动的初速度大小为v0＝；打下相邻两点的时间间隔T＝＝；钢球在竖直方向有y2－y1＝aT2，解得竖直方向的加速度大小a＝。 答案：(1)需要　(2)　　 1．选B　小球离开斜槽后做平抛运动，必须调整斜槽使其末端切线水平，故A错误；实验过程中，应调整硬木板使其保持竖直，即与小球下落的竖直面平行，故B正确；测量同一条轨迹时，为使小球做平抛运动的初速度相等，小球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放，故C错误；用光滑曲线连接描绘的点，得到小球的运动轨迹，故D错误。 2．解析：(1)在击打弹性金属片时，弹性金属片把A球沿水平方向弹出，A球做平抛运动，同时B球被松开，做自由落体运动，两球同时落地，说明A球在竖直方向的运动规律与B球的运动规律相同，即说明平抛运动在竖直方向上是自由落体运动。 (2)两小球P、Q能以相同的初速度同时分别从轨道下端水平射出，小球P做平抛运动，小球Q沿水平方向做匀速直线运动，可以看到小球P落地时刚好和小球Q相遇。当仅改变弧形轨道M的高度时，两小球仍能相遇，说明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上是匀速直线运动。 答案：(1)平抛运动在竖直方向上是自由落体运动 (2)小球P落地时刚好和小球Q相遇　平抛运动在水平方向上是匀速直线运动 3．解析：(1)小球做平抛运动时，在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做自由落体运动，故频闪仪器A所拍摄的频闪照片为(b)。 (2)题图乙中频闪照片(b)可以说明小球在水平方向上的分运动为匀速直线运动。 答案：(1)(b)　(2)见解析 4．解析：(1)因为hAB∶hBC＝3∶5，而不是1∶3，可知坐标纸上的A点不是小球做平抛运动的抛出点。 (2)竖直方向上Δy＝hBC－hAB＝gT2 可得照相机的频闪周期为T＝ s＝0.1 s。 (3)小球刚抛出时的水平初速度大小为v0＝＝1.5 m/s。 答案：(1)不是　(2)0.1　(3)1.5 5．解析：(1)用小锤击打弹性金属片，A球沿水平方向抛出，同时B球由静止自由下落，可观察到两小球同时落地；多次实验，结论不变。说明两球在竖直方向具有相同的运动情况，所以根据实验，能判断出A球在竖直方向做自由落体运动。 (2)为了保证钢球每次以相同的初速度从O点水平飞出，需要保证斜槽轨道末端水平，且每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球；但斜槽轨道不需要光滑。故选B、C。 (3)由题图丙可知AB与BC的水平位移相等，所用时间相等，竖直方向有Δy＝yBC－yAB＝gT2，解得T＝ s＝0.2 s，则小球平抛的初速度为v0＝＝m/s＝1.5 m/s。 答案：(1)能　(2)BC　(3)1.5 学科网（北京）股份有限公司 $