2019年高中物理第五章第3节实验:研究平抛运动讲义含解析新人教版必修2.pdf
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1、实验:研究平抛运动实验:研究平抛运动 一、实验目的 1用实验的方法描绘出平抛运动的轨迹。 2判断平抛运动的轨迹是否为抛物线。 3根据平抛运动的轨迹求其初速度。 二、实验原理 1利用追踪法逐点描出小球运动的轨迹。 2建立坐标系,如果轨迹上各点的 y 坐标与 x 坐标间的关系具有 yax2的形式(a 是一 个常量),则轨迹是一条抛物线。 3测出轨迹上某点的坐标 x、y,由 xv0t、y gt2得初速度 v0x。 1 2 g 2y 三、实验器材 斜槽轨道、小钢球、木板、白纸、图钉、重垂线、刻度尺、三角板、铅笔等。 四、实验步骤 1安装调平 将带有斜槽轨道的木板固定在实验桌上,其末端伸出桌面外,轨道末
2、端切线水平。如图 所示。 2.建立坐标系 用图钉将坐标纸固定于竖直木板的左上角, 把木板调整到竖直位置, 使板面与小球的运 动轨迹所在平面平行且靠近,把小球放在槽口处,用铅笔记下小球在槽口(轨道末端)时球心 在木板上的投影点 O,O 点即为坐标原点,用重垂线画出过坐标原点的竖直线,作为 y 轴, 画出水平向右的 x 轴。 3确定球的位置 将小球从斜槽上某一位置由静止滑下, 小球从轨道末端射出, 先用眼睛粗略确定做平抛 运动的小球在某一 x 值处的 y 值,然后让小球由同一位置自由滚下,在粗略确定的位置附近 用铅笔较准确地描出小球通过的位置, 并在坐标纸上记下该点。 用同样的方法确定轨迹上其 他
3、各点的位置。 4描点得轨迹 取下坐标纸,将坐标纸上记下的一系列点,用平滑曲线连起来,即得到小球平抛运动的 轨迹。 五、数据处理 1判断平抛运动的轨迹是不是抛物线 (1)如图所示, 在 x 轴上作出等距离的几个点 A1、 A2、 A3、, 把线段 OA1的长度记为 L, 那么 OA22L、OA33L、。过 A1、A2、A3、向下作垂线,与轨迹的交点记为 M1、M2、 M3、 (2)设轨迹是一条抛物线, 则 M1、 M2、 M3各点的 y 坐标与 x 坐标应该具有的形式为 y ax2,a 是常量。 (3)用刻度尺测量某点的 x、y 两个坐标,代入 yax2中,求出常量 a。 (4)测量其他几个点的
4、 x、y 坐标,代入上式,看由各点坐标求出的 a 值是否相等。如果 在误差允许范围内相等,就说明该曲线为抛物线。 2计算平抛物体的初速度 (1)在确定坐标原点为抛出点的情况下,在轨迹曲线上任取几点(如 A、B、C、D)。 (2)用刻度尺和三角板分别测出它们的坐标 x 和 y。 (3)根据平抛运动水平方向是匀速直线运动(xv0t)及竖直方向是自由落体运动(y1 2gt 2) ,分别计算小球的初速度 v0,最后计算小球的初速度 v0的平均值。 六、注意事项 1利用描迹法做实验时必须调整斜槽末端的切线沿水平方向。 2方木板必须处于竖直平面内,固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。 3小球每次必须从
5、斜槽上同一位置滚下。 4坐标原点不能是槽口的端点,应是小球出槽口时球心在木板上的投影点。 5小球开始滚下的位置高度要适中,以使小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。 6在轨迹上选取离坐标原点 O 点较远的一些点来计算初速度。 七、误差分析 1用描迹法时斜槽末端没有水平,使得小球离开斜槽后不做平抛运动。 2描点不准确。 3在轨迹上量取某点坐标(x,y)时出现误差。 八、获得平抛运动轨迹的其他方法 1喷水法 如图所示,倒置的饮料瓶内装着水,瓶塞内插着两根两端开口的细管,其中一根弯成水 平,加上一个很细的喷嘴。 水从喷嘴中射出,在空中形成弯曲的细水柱,它显示了平抛运动的轨迹。将它
6、描在背后 的纸上,进行分析处理。 2频闪照相法 用数码照相机可记录下平抛运动的轨迹, 如图所示。 由于相邻两帧照片间的时间间隔是 相等的, 只要测量相邻两照片上小球的水平位移, 就很容易判断平抛运动水平方向上的运动 特点。 典型例题 例 1.在 “研究平抛运动” 的实验中, 可以描绘平抛物体运动轨迹和求物体的平抛初速度。 实验简要步骤如下: A让小钢球多次从_位置上滚下,记下小球运动途中经过的一系列位置 B安装好器材,注意斜槽末端水平和木板竖直,记下小球在斜槽末端时球心在木板上 的 投 影 点 O 和 过 O 点 的 竖 直 线 , 检 测 斜 槽 末 端 水 平 的 方 法 是 _ _ C测
7、出曲线上某点的坐标 x、y,用 v0_算出该小球的平抛初速度,实验需要 对多个点求 v0的值,然后求它们的平均值 D取下白纸,以 O 为原点,以竖直线为 y 轴建立坐标系,用平滑曲线画平抛轨迹 请把上述步骤补充完整,并排出合理的顺序是_(只排列序号即可)。 解析 A 步骤中要记下小球运动途中经过的一系列位置,不可能在一次平抛中完成, 每一次平抛一般只能确定一个位置,要确定多个位置,要求小球每次的轨迹重合,小球开始 平抛时的初速度必须相同,因此小球每次必须从同一位置上滚下。B 步骤中用平衡法,即将 小球放到斜槽末端任一位置,如果斜槽末端是水平的,小球受到的支持力和重力是平衡的。 不论将小球放到斜
8、槽末端任何位置,小球均不会滚动。如果斜槽末端不是水平的,小球将发 生滚动。C 步骤中运用 xv0t 及 y gt2联立即可求得 v0x。 1 2 g 2y 答案 同一 将小球放到斜槽末端任一位置,均不滚动 x BADC g 2y 点评 (1)斜槽安装:将小球放在斜槽末端水平部分,将其向两边各轻轻拨动一次,若没有明 显的运动倾向,则斜槽末端是水平的。 (2)方木板固定:固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。 (3)小球释放: 小球每次必须从斜槽上同一位置滚下; 使小球平抛运动的轨迹由坐标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木板上的投影点
9、。 典型例题 例 2.(2016赣州高一检测)在研究平抛运动的实验中,用一张印有小方格的纸记录轨迹, 小方格的边长 L1.25 cm,若小球在平抛运动途中的几个位置如图中 a、b、c、d 所示,则 : (1)小球做平抛运动的初速度的计算式是什么(用 L、g 表示)?其值是多少?(g 取 9.8 m/s2) (2)a 点是小球抛出点的位置吗?如果不是,那么抛出点的位置怎样确定? 解析 (1)平抛运动的竖直分运动是自由落体运动,即初速度为 0 的匀加速直线运动; 水平分运动是匀速直线运动。由水平方向 ab、bc、cd 的长度相等知,相邻两点间的时间间 隔相等,设为 T,竖直方向相邻两点间的位移之差
10、相等,yL。由 ygT2得 LgT2, 时间 T 内,水平位移为 x2L 所以 v0 2 x T 2L L/g gL 代入数据得 v00.7 m/s (2)由于 ab、bc、cd 间竖直位移之比不满足 135 的关系,所以 a 点不是抛出点。设 小球运动到 b 点时竖直方向上的分速度为 vyb,则有 vyb0.525 m/s yac 2T 3L 2T 3gL 2 小球从抛出点运动到 b 点所用时间为 tbv yb g 则抛出点到 b 点的水平位移为 xbv0tb m0.037 5 m3.75 cm v0vyb g 0.7 0.525 9.8 抛出点到 b 点的竖直位移 yb m0.014 1
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