
學(xué)會用實驗的方法描繪平拋運動的軌跡.
會根據(jù)平拋運動的軌跡計算平拋運動的初速度.
掌握描跡法、頻閃照相法等探究實驗的常用方法.
【知識要點】
一、描繪平拋運動的軌跡
1.實驗器材
斜槽、小球、方木板、圖釘、刻度尺、鉛垂線、鉛筆、坐標(biāo)紙、鐵架臺.
2.實驗步驟
(1)按圖甲所示安裝實驗裝置,使斜槽末端水平(小球在斜槽末端點恰好靜止)
(2)以水平槽末端端口上小球球心位置為坐標(biāo)原點O,過O點畫出豎直的y軸和水平的x軸.
(3)使小球從斜槽上同一位置由靜止?jié)L下,把筆尖放在小球可能經(jīng)過的位置上,如果小球運動中碰到筆尖,就用鉛筆在該位置畫上一點.用同樣方法,在小球運動路線上描下若干點.
(4)將白紙從木板上取下,從O點開始通過畫出的若干點描出一條平滑的曲線,如圖乙所示.
3.注意事項
(1)實驗中必須調(diào)整斜槽末端的切線水平(將小球放在斜槽末端水平部分,若小球靜止,則斜槽末端水平).
(2)方木板必須處于豎直平面內(nèi),固定時要用鉛垂線檢查坐標(biāo)紙豎線是否豎直.
(3)小球每次必須從斜槽上同一位置由靜止釋放.
(4)坐標(biāo)原點不是槽口的端點,應(yīng)是小球出槽口時球心在木板上的投影點.
(5)小球開始滾下的位置高度要適中,以使小球做平拋運動的軌跡由坐標(biāo)紙的左上角一直到達(dá)右下角為宜.
4.頻閃照相法
數(shù)碼相機(jī)每秒拍下小球做平拋運動時的十幾幀或幾十幀照片,將照片上不同時刻的小球的位置連成平滑曲線便得到了小球的運動軌跡.如圖所示.
二、計算平拋運動的初速度
計算平拋運動的初速度可以分為兩種情況
1.平拋軌跡完整(即含有拋出點)
在軌跡上任取一點,測出該點離原點的水平位移x及豎直位移y,就可求出初速度v0.
因x=v0t,y=eq \f(1,2)gt2,故v0=x eq \r(\f(g,2y)).
2.平拋軌跡殘缺(即無拋出點)
在軌跡上任取三點A、B、C(如圖所示),使A、B間及B、C間的水平距離相等,由平拋運動的規(guī)律可知A、B間與B、C間所用時間相等,設(shè)為t,則Δh=hBC-h(huán)AB=gt2
所以t= eq \r(\f(hBC-h(huán)AB,g))
所以初速度v0=eq \f(x,t)=x eq \r(\f(g,hBC-h(huán)AB))
【題型練習(xí)】
【例1】如圖所示,在“研究平拋運動”的實驗中,可以描繪出小球平拋運動的軌跡,實驗簡要步驟如下:
A.讓小球多次從同一位置靜止釋放,在一張印有小方格的紙上記下小球經(jīng)過的一系列位置,如圖中a、b、c、d所示.
B.安裝好器材,注意斜槽末端切線水平,記下平拋初位置O點和過O點的水平線與豎直線.
C.取下方格紙,以O(shè)為原點,以水平線為x軸,豎直線為y軸建立坐標(biāo)系,用平滑曲線畫出小球平拋運動的軌跡.
(1)上述實驗步驟的合理順序是____________.
(2)已知圖中小方格的邊長為L,則小球從a位置運動到c位置所用的時間為________,小球平拋的初速度為________. (均用L、g表示)
【答案】BAC SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0
【解析】
【詳解】
(1)[1]實驗操作中要先安裝儀器,然后進(jìn)行實驗操作,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,故實驗順序為:B,A,C
(2)[2])由圖可以知道a、b、c、d之間的時間間隔是相同的,因此根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律有:
SKIPIF 1 < 0
由題可以知道 SKIPIF 1 < 0 ,帶入計算得出每相鄰兩個位置的時間間隔為:
SKIPIF 1 < 0
則小球從a位置運動到c位置所用的時間為:
SKIPIF 1 < 0
[3] 水平方向勻速直線運動,
SKIPIF 1 < 0
小球平拋的初速度為:
SKIPIF 1 < 0
【例2】在做“研究平拋物體的運動”的實驗中,為了確定小球在不同時刻所通過的位置,實驗時用如圖實所示的裝置,在一塊平木板表面釘上復(fù)寫紙和白紙,并將該木板豎直立于緊靠槽口處.使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放,小球撞到木板并在白紙上留下痕跡A;將木板向遠(yuǎn)離槽口方向平移距離x,再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放,小球撞在木板上得到痕跡B;又將木板再向遠(yuǎn)離槽口方向平移距離x,小球再從斜槽上緊靠擋板處由靜止釋放,再得到痕跡C.若測得木板每次移動距離均為x=10.00 cm.A、B間距離y1=4.78 cm,B、C間距離y2=14.58 cm.(g取9.80 m/s2)
(1)實驗前,需要將斜槽軌道的末端調(diào)至_______(填“水平”或“傾斜”);
(2)為了得到圖中的A、B、C三點,每次釋放小球時的初位置應(yīng)該______(填“相同”或“不同”)
(3)小球從A下落到B,與從B下落到C所用時間_____(填“相等”或“不等”);
(4)小球在平拋運動過程中,豎直方向做的是__________運動;水平方向做的是___________運動.
(5)根據(jù)以上直接測量的物理量求得小球初速度為v0=________ m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).
【答案】(1)水平 (2)相同 (3)相等 (4)自由落體 勻速直線 (5)1.0
【解析】
(1)[1].小球每次從斜槽軌道末端出來的運動是平拋運動,所以斜槽軌道的末端調(diào)至水平.
(2)[2].為了得到圖中的A、B、C三點,小球每次做平拋運動的初速度應(yīng)該相同,所以每次釋放小球時的初位置應(yīng)該相同.
(3)[3].小球從A下落到B,與從B下落到C的水平位移相同,平拋運動的水平方向的運動是勻速直線運動,根據(jù) SKIPIF 1 < 0 得,時間相等.
(4)[4][5].平拋運動水平方向的分運動是勻速直線運動,豎直方向的分運動為自由落體運動,所以小球在平拋運動過程中,豎直方向做的是自由落體運動;水平方向做的是勻速直線運動.
(5)[6].在豎直方向上:
SKIPIF 1 < 0 y=y2﹣y1=gt2
水平方向上:
x=v0t
聯(lián)立方程解得:
SKIPIF 1 < 0
聯(lián)立解得:
SKIPIF 1 < 0
【同類練習(xí)】
1.(一)在做“研究平拋物體的運動”實驗時,除了木板、小球、斜槽、鉛筆、圖釘之外,下列器材中還需要的是
A.游標(biāo)卡尺 B.秒表 C.坐標(biāo)紙 D.天平 E.彈簧秤 F.重垂線
(二)在做實驗中,下列說法正確的是
A.應(yīng)使小球每次從斜槽上相同的位置自由滑下
B.斜槽軌道必須光滑
C.斜槽軌道末端可以不水平
D.要使描出的軌跡更好地反映真實運動,記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些
E.為了比較準(zhǔn)確地描出小球運動的軌跡.應(yīng)該用一條曲線把所有的點連接起來
(三)如圖為一小球做平拋運動的閃光照片的一部分,圖中背景方格的邊長均為5cm.如果取,那么:
(1)閃光照片閃光周期是 s.
(2)小球運動中水平分速度的大小是 m/s.
(3)小球經(jīng)過B點時的豎直分速度大小是 m/s;
經(jīng)過B點時的合速度大小是 m/s;
【答案】(一) CF (二) AD(三)(1)0.1(2)1.5(3)2 2.5
【解析】
試題分析:(一)做“研究平拋物體的運動”實驗時,除了木板、小球斜槽、鉛筆、圖釘之外,還需要的是器材是坐標(biāo)紙、重垂線.坐標(biāo)紙除能更準(zhǔn)確確定位置外,還能 讀出某點坐標(biāo),使作圖更準(zhǔn)確;重垂線的作用是確保坐標(biāo)紙是在豎直面內(nèi),使其與小球運動平面平行,確保軌跡為平拋運動軌跡,故CF正確.
(二)為了能畫出平拋運動軌跡,首先保證小球做的是平拋運動,所以斜槽軌道不一定要光滑,但必須是水平的.同時要讓小球總是從同一位置釋放,這樣才能找到同一運動軌跡上的幾個點,然后將這幾個點平滑連接起來,故BC錯誤,AD正確.
(三)(1)在豎直方向上有: SKIPIF 1 < 0 ,其中 SKIPIF 1 < 0 ,代入求得: SKIPIF 1 < 0 .
(2)水平方向: SKIPIF 1 < 0 ,其中 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,故 SKIPIF 1 < 0 .
(3)根據(jù)勻變速直線運動中,時間中點的瞬時速度等于該過程的平均速度,在B點有: SKIPIF 1 < 0 ;所以B點速度為: SKIPIF 1 < 0
2.在做“研究平拋物體的運動”實驗時.
(1)除了木板、鋼球、坐標(biāo)紙、鉛筆、重錘線、圖釘之外,下列器材中還需要的是__
A.斜槽 B.秒表
C.彈簧秤 D.天平
(2)實驗中,下列說法正確的是______
A.斜槽軌道末端必須保證水平
B.斜槽軌道粗糙對實驗有一定的影響
C.小球不必每次從斜槽上相同的位置釋放
D.要使描出的軌跡更好地反映真實運動,記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些
(3)實驗時某同學(xué)得到了如圖所示的物體運動軌跡,a、b、c是軌跡上的三個點,以a點為坐標(biāo)原點,建立xOy坐標(biāo)系,則小球從a點運動到b點所用的時間t=___s,小球平拋的初速度大小v=___m/s,經(jīng)過b點時的速度大小vb=_____m/s(g=10m/s2)
【答案】A AD 0.1 2.5
【解析】
(1) “研究平拋物體的運動”實驗將斜槽的末端調(diào)成水平,這樣小球從斜槽飛出后做平拋運動;“研究平拋物體的運動”實驗中不需要測量小球的質(zhì)量、重力及小球運動的時間.所以不需要的器材是天平、彈簧和秒表,需要的是斜槽.故A項正確,BCD三項錯誤.
(2)A:斜槽的末端必須保證水平,這樣小球從斜槽飛出后才做平拋運動.故A項正確.
BC:小球每次從斜槽上相同的位置由靜止釋放,不論斜槽是否光滑,小球從斜槽飛出時的速度都相同,這樣能保證描繪的是同一平拋運動的軌跡.故BC兩項錯誤.
D:要使描出的軌跡更好地反映真實運動,記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些.故D項正確.
(3)由圖知ab、bc的水平距離相等,則小球從a點運動到b點所用的時間等于小球從b點運動到c點所用的時間,據(jù) SKIPIF 1 < 0 ,解得:小球從a點運動到b點所用的時間 SKIPIF 1 < 0 .
小球平拋的初速度 SKIPIF 1 < 0
小球經(jīng)過b點時速度的豎直分量 SKIPIF 1 < 0
小球經(jīng)過b點時速度 SKIPIF 1 < 0
【成果鞏固訓(xùn)練】
1.如圖所示的平拋運動軌跡上,若遺漏了平拋軌跡的起始點 ,可按下述方法處理數(shù)據(jù):在軌跡上取A、B、C三點,AB和BC的水平間距相等且均為x,測得AB和CD的豎直間距分別為y1和y2,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,下列說法正確的是
A.根據(jù)以上信息無法確定小球平拋的起始點
B.小球平拋的初速度大小為 SKIPIF 1 < 0
C. SKIPIF 1 < 0
D. SKIPIF 1 < 0
【答案】BC
【解析】
【詳解】
B.因三點間水平位移相等,則時間相等,設(shè)為T,則由
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
解得
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
選項B正確;
A.根據(jù) SKIPIF 1 < 0 求解vy,t;根據(jù) SKIPIF 1 < 0 求解y;根據(jù)x=v0t求解x;選項A錯誤;
CD.設(shè)A點的豎直速度為vy0,則
SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0
選項C正確,D錯誤;
故選C。
2.圖示為研究平拋運動的實驗裝置,實驗時,讓小球多次沿同一軌道運動,通過描點法畫小球做平拋運動的軌跡,為了能較準(zhǔn)確地描繪運動軌跡,下面列出了一些操作要求。你認(rèn)為正確的是( )
A.斜槽的末端可以不水平
B.斜槽軌道必須光滑且每次釋放小球的位置必須不同
C.每次必須從同一位置由靜止開始釋放小球
D.要使描出的軌跡更好地反映真實運動,記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些
E.將球的位置記錄在紙上后,取下紙,用直尺將點連成折線
【答案】CD
【解析】
【詳解】
A.為了保證小球的初速度水平,斜槽末端需水平,故A錯誤;
BC.為了保證每次小球的初速度相等,讓小球每次從斜槽的同一位置由靜止釋放,故B錯誤,C正確;
D.要使描出的軌跡更好地反映真實運動,記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些,故D正確;
E.軌跡應(yīng)該用平滑曲線連接,故E錯誤。
3.如圖所示為用實驗探究物體做平拋運動規(guī)律的裝置圖.下列說法中正確的是( )
A.用小錘擊打彈性金屬片后,B球先落地,A球后落地
B.用小錘擊打彈性金屬片后,A、B兩球同時落地
C.多次實驗,A球的落地點一定相同
D.多次實驗,A球的落地點可能不同
【答案】BD
【解析】
試題分析:平拋運動在豎直方向上做自由落體運動,所以用小錘擊打彈性金屬片后,A、B兩球同時落地,A錯誤B正確;每次敲打的力度可能不同,所以A球水平速度可能不同,故A球的落地點可能不同,C錯誤D正確
故選BD
4.在做“研究平拋運動”實驗時,某同學(xué)利用實驗探究平拋運動在水平方向的運動規(guī)律.
(1)除了木板、重錘線、小球、斜槽、鉛筆、圖釘、坐標(biāo)紙之外,如圖所示的器材中還需要的是________;
(2)實驗中,下列說法正確的是(多選)_ .
A. 斜槽軌道必須光滑 B. 斜槽軌道末端必須水平
C. 每次必須由靜止釋放小球 D. 每次小球釋放的位置必須相同.
【答案】(1)D (2)BCD
【解析】
在做“研究平拋物體的運動”實驗時,除了木板、重錘線、小球、斜槽、鉛筆、圖釘、坐標(biāo)紙之外,下列器材中還需要刻度尺,便于確定小球間的距離,D正確,(2)該實驗要求小球每次拋出的初速度要相同而且水平,因此要求小球從同一位置靜止釋放,至于是否光滑沒有影響,A錯誤;實驗中必須保證小球做平拋運動,而平拋運動要求有水平初速度且只受重力作用,所以斜槽軌道必須要水平,B正確;為確保有相同的水平初速度,所以要求從同一位置無初速度釋放,故CD正確.
5.在“探究平拋運動的運動規(guī)律”的實驗中,可以描繪出小球平拋運動的軌跡,實驗簡要步驟如下:
A.讓小球多次從________ 釋放,在一張印有小方格的紙記下小球經(jīng)過的一系列位置,如圖中a、b、c、d所示.
B.按圖安裝好器材,注意調(diào)節(jié)斜槽末端切線________,記下平拋初位置O點和過O點的豎直線.
C.取下白紙,以O(shè)為原點,以豎直線為y軸建立坐標(biāo)系,用平滑曲線畫平拋運動物體的軌跡.
(1)完成上述步驟,將正確的答案填在橫線上.
(2)上述實驗步驟的合理順序是________.
(3)已知圖中小方格的邊長為L,則b點的速度vb=________.(用L、g表示)
【答案】同一位置由靜止 水平 BAC SKIPIF 1 < 0
【解析】
(1)(2)為了保證小球初速度相同,讓小球多次從斜槽的同一位置由靜止釋放.為了保證初速度水平,應(yīng)使斜槽末端的切線水平.正確的操作步驟為BAC.
(3)根據(jù)△y=L=gT2,在水平方向: SKIPIF 1 < 0 ,聯(lián)立解得: SKIPIF 1 < 0 ,b點豎直分速度: SKIPIF 1 < 0 ,則b點的速率: SKIPIF 1 < 0 .
6.在探究平拋運動的規(guī)律時,可以選用下列各種裝置圖,在下列選項中選擇正確的選項填在相應(yīng)的橫線上.
(1)選用裝置1是為了______
(2)選用裝置2時注意______
(3)選用裝置3要準(zhǔn)確獲得鋼球的平拋軌跡,______
A.選用裝置1是為了研究平拋的豎直分運動
B.選用裝置1是為了研究平拋的水平分運動
C.選用裝置2要獲得穩(wěn)定的細(xì)水柱所顯示的平拋軌跡,豎直管上端A一定要比水面高
D.選用裝置2要獲得穩(wěn)定的細(xì)水柱所顯示的平拋軌跡,豎直管上端A一定要比水面低
E.鋼球每次可以從裝置3上的斜槽不同位置靜止釋放
F.鋼球每次應(yīng)該從裝置3上的斜槽同一位置靜止釋放
(4)實驗得到平拋小球的運動軌跡,在軌跡上取一些點,以平拋起點O為坐標(biāo)原點,測量它們的水平坐標(biāo)x和豎直坐標(biāo)y,圖乙中的圖象能說明平拋小球運動軌跡為拋物線的是___.
【答案】A D F a
【解析】
(1)[1]裝置1是為了研究平拋運動豎直方向上的運動規(guī)律,若兩球同時落地,可知A球豎直方向上的運動規(guī)律與B球相同,即平拋運動在豎直方向上做自由落體運動;故選A.
(2)[2]豎直管內(nèi)與大氣相通,為外界大氣壓強(qiáng),豎直管在水面下保證豎直管上出口處的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng).因而另一出水管的上端口處壓強(qiáng)與豎直管上出口處的壓強(qiáng)有恒定的壓強(qiáng)差,保證另一出水管出水壓強(qiáng)恒定,從而水速度恒定.如果豎直管上出口在水面上,則水面上為恒定大氣壓強(qiáng),因而隨水面下降,出水管上口壓強(qiáng)降低,出水速度減小,故選D.
(3)[3]為了保證小球的初速度大小相等,每次讓小球從斜槽的同一位置由靜止釋放,故選F.
(4)[4]物體在豎直方向做自由落體運動, SKIPIF 1 < 0 ,水平方向做勻速直線運動,x=vt;聯(lián)立可得: SKIPIF 1 < 0 ,因初速度一定 ,故 SKIPIF 1 < 0 為常數(shù),故y-x應(yīng)為拋物線,故選a.
7.某實驗小組的同學(xué)利用如圖所示的實驗裝置“研究平拋物體運動”,通過描點畫出平拋小球的運動軌跡.
(1)以下實驗過程的一些做法,其中合理的有______.
A.安裝斜槽軌道,使其末端保持水平
B.每次小球釋放的初始位置可以任意選擇
C.每次小球應(yīng)從同一高度由靜止釋放
D.為描出小球的運動軌跡描繪的點可以用折線連接
(2)實驗得到平拋小球的運動軌跡,在軌跡上取一些點,以平拋起點O為坐標(biāo)原點,測量它們的水平坐標(biāo)x和豎直坐標(biāo)y,如圖所示的y-x2圖象能說明平拋小球的運動軌跡為拋物線的是______.
A. B.
C. D.
(3)某同學(xué)在做平拋運動實驗時得到了如圖乙所示的運動軌跡,a、b、c三點的位置在運動軌跡上已標(biāo)出則:
①小球做平拋運動的初速度為______m/s(g取10m/s2)
②小球拋出點的位置坐標(biāo)為:x=______cm,y=______cm.
【答案】AC C 2 -10 -1.25
【解析】
(1)為了保證小球初速度水平,安裝斜槽軌道時使其末端保持水平,故A正確.為了保證小球每次平拋運動的初速度相等,讓小球每次從斜槽的同一位置由靜止釋放,故B錯誤,C正確.為描出小球的運動軌跡描繪的點用平滑曲線連接,故D錯誤.故選AC.
(2)根據(jù) SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 得, SKIPIF 1 < 0 ,可知y-x2圖象是過原點的傾斜直線,故選C.
(3)①根據(jù)△y=gT2得, SKIPIF 1 < 0
則平拋運動的初速度 SKIPIF 1 < 0 .
②b點的豎直分速度 SKIPIF 1 < 0
則拋出點到b點的時間 SKIPIF 1 < 0 ,
拋出點到b點的水平位移 SKIPIF 1 < 0
拋出點的橫坐標(biāo) SKIPIF 1 < 0
拋出點到b點的縱坐標(biāo) SKIPIF 1 < 0
拋出點的縱坐標(biāo)y=10-11.25cm=-1.25cm.
8.圖甲是“研究平拋物體的運動”的實驗裝置圖.
(1)為了能較準(zhǔn)確地描繪運動軌跡,下面列出一些操作要求,將你認(rèn)為正確的選項前面的字母填在橫線上: .
E.小球運動時不應(yīng)與木板上的白紙(或方格紙)相接觸
F.將小球的位置記錄在紙上后,取下紙,用直尺將點連成折線
(2)圖乙是通過頻閃照相得到的照片,每個格的邊長L=5cm,通過實驗,記錄了小球在運動途中的三個位置,如圖所示,則該頻閃照相的周期為 s,小球做平拋運動的初速度為 m/s;過B點的速度為 m/s.(g=10m/s2).
【答案】(1)ACE; (2)0.1,1.5,2.5
【解析】
試題分析:(1)保證小球做平拋運動必須通過調(diào)節(jié)使斜槽的末端保持水平,因為要畫同一運動的軌跡,必須每次釋放小球的位置相同,且由靜止釋放,以保證獲得相同的初速度,實驗要求小球滾下時不能碰到木板平面,避免因摩擦而使運動軌跡改變,最后軌跡應(yīng)連成平滑的曲線;
(2)根據(jù)豎直方向上連續(xù)相等時間內(nèi)的位移之差是一恒量求出相等的時間間隔,結(jié)合水平位移和時間間隔求出初速度.根據(jù)豎直方向上某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求出B點的豎直分速度,結(jié)合平行四邊形定則求出經(jīng)過B點的速度.
解:(1)A、通過調(diào)節(jié)使斜槽末端保持水平,是為了保證小球做平拋運動.故A正確.
B、因為要畫同一運動的軌跡,必須每次釋放小球的位置相同,且由靜止釋放,以保證獲得相同的初速度,故B錯誤,C正確.
D、因平拋運動的豎直分運動是自由落體運動,在相同時間里,位移越來越大,因此木條(或凹槽)下降的距離不應(yīng)是等距的,故D錯誤.
E、做平拋運動的物體在同一豎直面內(nèi)運動,固定白紙的木板必須調(diào)節(jié)成豎直,小球運動時不應(yīng)與木板上的白紙相接觸,以免有阻力的影響,故E正確;
F、將球經(jīng)過不同高度的位置記錄在紙上后,取下紙,平滑的曲線把各點連接起來,故F錯誤;
故選ACE
(2)在豎直方向上,根據(jù)△y=2L=gT2得:T=s=0.1s,
則小球平拋運動的初速度為:v0=m/s=1.5m/s;
B點豎直分速度為:vyB=m/s=2m/s,根據(jù)平行四邊形定則知,
B點的速度為:vB=m/s=2.5m/s.
故答案為(1)ACE;(2)0.1,1.5,2.5
A.通過調(diào)節(jié)使斜槽的末端保持水平
B.每次釋放小球的位置必須不同
C.每次必須由靜止釋放小球
D.記錄小球位置用的木條(或凹槽)每次必須嚴(yán)格地等距距離下降
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