2022版高考物理一轮复习-第四章-曲线运动-万有引力与航天-实验五-研究平抛运动学案-新人教版.doc

2022版高考物理一轮复习 第四章 曲线运动 万有引力与航天 实验五 研究平抛运动学案 新人教版2022版高考物理一轮复习 第四章 曲线运动 万有引力与航天 实验五 研究平抛运动学案 新人教版年级：姓名：- 9 -实验五研究平抛运动知识点1力的分类一、实验目的1用实验的方法描绘出平抛运动的轨迹。2用实验轨道求解做平抛运动物体的初速度。二、实验原理 使小球做平抛运动，利用描点法描绘出小球的运动轨迹，建立坐标系，测出轨迹曲线上某一点的坐标x和y，由公式：xv0t和ygt2，解得v0x。三、实验器材斜槽(带小球)、木板及竖直固定支架、白纸、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺。谨记部分器材用途斜槽使小球获得相同的水平初速度木板和白纸记录小球做平抛运动时的落点位置四、实验步骤1按实验原理图甲安装实验装置，使斜槽末端水平。2以斜槽水平部分端口上小球球心位置为坐标原点O，过O点画出竖直的y轴和水平的x轴。3使小球从斜槽上同一位置由静止滚下，把笔尖放在小球可能经过的位置上，如果小球运动中碰到笔尖，用铅笔在该位置标记为一点。用同样的方法，在小球运动轨迹上描下若干点。4将白纸从木板上取下，从O点开始连接画出的若干点描绘出一条平滑的曲线，如实验原理图乙所示。五、数据处理1判断平抛运动的轨迹是不是抛物线(1)原理：若平抛运动的轨迹是抛物线，则应以抛出点为坐标原点建立直角坐标系，且轨迹上各点的坐标满足yax2的关系，且同一运动轨迹上a是一个特定的值。(2)验证方法方法一：代入法用刻度尺测量几个点的x、y坐标，分别代入yax2中求出常数a，判断a值在误差允许的范围内是否为一常数。方法二：图像法建立yx2坐标系，根据所测量的各个点的x、y坐标值分别计算出对应y值的x2值，在yx2坐标系中描点，连接各点看是否在一条直线上，并求出该直线的斜率即为a的值。2计算平抛运动的初速度(1)平抛运动轨迹完整(即含有抛出点)在轨迹上任取一点，测出该点离原点的水平位移x及竖直位移y，就可求出初速度v0。因xv0t，ygt2，故v0x。(2)平抛运动轨迹残缺(即无抛出点)如图所示，在轨迹上任取三点A、B、C，使A、B间及B、C间的水平距离相等，由平抛运动的规律可知，A、B间与B、C间所用时间相等，设为t，则hhBChABgt2，所以t，初速度v0x。六、误差分析1斜槽末端没有调节成水平状态，导致初速度未沿水平方向。2坐标原点不够精确等。七、注意事项1固定斜槽时，要保证斜槽末端的切线水平，保证小球的初速度沿水平方向。2固定木板时，木板必须处在竖直平面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面平行，固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。3为保证小球每次从斜槽上的同一位置由静止释放，可在斜槽上某一位置固定一个挡板。4要在斜槽上适当高度释放小球，使它以适当的水平初速度抛出，其轨迹由木板左上角到达右下角，这样可以减小测量误差。5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。6计算小球的初速度时，应选距抛出点稍远一些的点为宜，以便于测量和计算。核心考点重点突破HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO考点一教材原型实验例1(2020四川峨眉二中月考)在“研究物体平抛运动”的实验中，如图甲所示装置可以测出小球经过曲线上任意位置的瞬时速度。(1)实验简要步骤如下，补全横线处内容：A让小球多次从斜槽的同一位置滚下，记下小球穿过卡片孔的一系列位置。B安装好器材，注意斜槽的末端切线水平，记下斜槽末端O点和过O点的竖直线。C测出曲线上某点的坐标x、y。D取下白纸，以O为原点，以水平线和竖直线为轴建立坐标系xOy，用平滑曲线画平抛轨迹。(2)上述实验步骤的合理顺序是BADC。(3)如图乙所示，是一个小球做平抛运动的闪光照相相片的一部分，图中方格的边长均为5 cm，如果取g10 m/s2，则小球运动中水平分速度的大小是1.5 m/s。解析(1)让小球从斜槽的同一位置由静止滚下，保证小球平抛运动的初速度相同；安装好器材，注意让斜槽末端切线水平，保证小球初速度水平，做平抛运动。(2)实验过程为先安装实验装置，然后让小球从斜槽的同一位置多次滚下，记下小球穿过卡片孔的一系列位置，然后取下白纸画平抛轨迹，最后根据轨迹建立坐标系求解，故顺序为BADC。(3)在竖直方向上有hgt2，其中h(53)5 cm10 cm0.1 m，代入求得t s0.1 s，小球在水平方向匀速运动，有sv0t，其中s3l15 cm0.15 m。代入解得v0m/s1.5 m/s。考点二实验拓展创新例2(2020湖南长沙一中月考)某小组设计了一个研究平抛运动的实验装置，在抛出点O的正前方，竖直放置一块毛玻璃。他们利用不同的频闪光源，在小球抛出后的运动过程中光源闪光，会在毛玻璃上出现小球的投影点，在毛玻璃侧面用照相机进行多次曝光，拍摄小球在毛玻璃上的投影照片如图甲所示，小明在O点左侧用水平的平行光源照射，得到的照片如图丙所示；如图乙所示，小红将一个点光源放在O点照射重新实验，得到的照片如图丁所示。已知光源的闪光频率均为31 Hz，光源到玻璃的距离L1.2 m，两次实验小球抛出时的初速度相等。根据上述实验可求出：(结果均保留两位小数)(1)重力加速度的大小为9.61 m/s2，投影点经过图丙中M位置时的速度大小为0.62 m/s。(2)小球平抛时的初速度大小为9.30 m/s。解析(1)若用平行光照射，则根据球在毛玻璃上的投影可求出小球竖直方向上的位移，由hgT2得g9.61 m/s2，投影点经过图丙中M位置时的速度大小vg0.62 m/s。(2)设小球在毛玻璃上的投影NBY，则经过时间t后小球运动的水平位移为xv0t；竖直位移为ygt2，由相似三角形得，则Yt，结合题图丁可得vY0.62 m/s，v09.30 m/s。2年高考1年模拟2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI1(2020天津，9(1)某实验小组利用图1所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。图1图2为了正确完成实验，以下做法必要的是AB。A实验时应保持桌面水平B每次应使钢球从静止开始释放C使斜面的底边ab与桌边重合D选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2 m，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为15.0 cm、25.0 cm、35.0 cm，示意如图2。重力加速度g10 m/s2，钢球平抛的初速度为2 m/s。图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是方便将木板调整到竖直平面。解析钢球从桌面飞出，必须使钢球初速度沿水平方向，做平抛运动，故需要保持桌面水平，A项正确；钢球必须每次从同一位置由静止滚下，这样才能使每次做平抛运动的初速度相同，B项正确；斜面底边ab不可与桌边重合，若重合，钢球到达斜面底边后，将不再做平抛运动，C项错误；钢球所受斜面的摩擦力大小对实验没有影响，只要保证每次钢球从桌边开始做初速度相同的平抛运动即可，D项错误。设每次木板向远离桌子的方向移动的距离为x，相邻两落点的竖直间距差为y，间隔时间为T，则由匀加速直线运动规律有ygT2，可得T 0.1 s，故初速度v02 m/s。在实验中要保持木板处于竖直状态，悬挂铅垂线，便于将木板调整到竖直平面。2(2019北京卷，21)用如图1所示装置研究平抛运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出，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，钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板，重新释放钢球，如此重复，白纸上将留下一系列痕迹点。图1(1)下列实验条件必须满足的有BD。A斜槽轨道光滑B斜槽轨道末段水平C挡板高度等间距变化D每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究，建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。a取平抛运动的起始点为坐标原点，将钢球静置于Q点，钢球的球心(选填“最上端”“最下端”或者“球心”)对应白纸上的位置即为原点；在确定y轴时需要(选填“需要”或者“不需要”)y轴与重垂线平行。图2b若遗漏记录平抛轨迹的起始点，也可按下述方法处理数据：如图2所示，在轨迹上取A、B、C三点，AB和BC的水平间距相等且均为x，测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2，则大于(选填“大于”“等于”或者“小于”)。可求得钢球平抛的初速度大小为x(已知当地重力加速度为g，结果用上述字母表示)。(3)为了得到平抛物体的运动轨迹，同学们还提出了以下三种方案，其中可行的是AB。A从细管水平喷出稳定的细水柱，拍摄照片，即可得到平抛运动轨迹B用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置，平滑连接各位置，即可得到平抛运动轨迹C将铅笔垂直于竖直的白纸板放置，笔尖紧靠白纸板，铅笔以一定初速度水平抛出，将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹(4)伽利略曾研究过平抛运动，他推断：从同一炮台水平发射的炮弹，如果不受空气阻力，不论它们能射多远，在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体B。A在水平方向上做匀速直线运动B在竖直方向上做自由落体运动C在下落过程中机械能守恒(5)牛顿设想，把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点就一次比一次远，如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。同样是受地球引力，随着抛出速度增大，物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动，请分析原因。物体初速度较小时，运动范围很小，引力可以看作恒力重力，做平抛运动，例如上面(4)中的从同一炮台水平发射的炮弹做平抛运动；随着物体初速度增大，运动范围变大，引力不能再看作恒力；当物体初速度达到第一宇宙速度时，做圆周运动而成为地球卫星。解析(1)实验中没必要要求斜槽轨道光滑，因为本实验是研究平抛运动，只需要每次实验都能保证小球做相同的平抛运动，即每次实验都要保证小球初速度水平且相同，因此选项A错误，选项B、D正确。挡板高度可以不等间距变化，故选项C错误。(2)a.因为钢球侧面在白纸上挤压出的痕迹点与球心等高，故将钢球静置于Q点，钢球的球心对应白纸上的位置即为坐标原点(平抛运动的起始点)；在确定y轴时需要y轴与重垂线平行。b由于平抛运动的竖直分运动是自由落体运动，竖直方向上相邻相等时间内的位移之比为135，故两相邻相等时间内的位移之比越来越大，因此大于；由y2y1gT2，xv0T，联立两式解得v0x 。(3)将铅笔垂直于竖直的白纸板放置，笔尖紧靠白纸板，铅笔以一定初速度水平抛出，由于铅笔笔尖与笔尾受力不同，铅笔将不能保持始终垂直于竖直的白纸板运动，而发生倾斜，所以不会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹，故C错误。故选AB。(4)从同一炮台水平发射的炮弹，如果不受空气阻力，可认为做平抛运动，平抛运动的时间由高度决定，因此不论它们能射多远，在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体在竖直方向上做自由落体运动，故选项B正确。(5)物体初速度较小时，运动范围很小，引力可以看作恒力重力，做平抛运动，例如上面(4)中的从同一炮台水平发射的炮弹做平抛运动；随着物体初速度增大，运动范围变大，引力不能再看作恒力；当物体初速度达到第一宇宙速度时，做圆周运动而成为地球卫星。