“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)方案盤點(diǎn)

■張宏明

以一定的初速度將物體沿水平方向拋出,在空氣阻力可以忽略的情況下,物體只受重力的作用,做平拋運(yùn)動(dòng)。探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌笾驴梢苑譃橐韵氯悺?/p>

類型一:通過實(shí)驗(yàn)研究平拋運(yùn)動(dòng)豎直分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解將平拋運(yùn)動(dòng)分解到水平方向和豎直方向上,要驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng),可以利用從同一高度自由下落的不同物體下落至同一高度所用的時(shí)間相等這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

例1某同學(xué)采用如圖1所示的裝置探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。小球A沿圓弧軌道滑下,離開軌道末端時(shí)撞開接觸開關(guān)S,被電磁鐵吸住的小球B同時(shí)自由下落,改變整個(gè)裝置距離地面的豎直高度H,多次實(shí)驗(yàn)?；卮鹨韵聠栴}:

圖1

(1)要保證小球A離開軌道末端后做平拋運(yùn)動(dòng),在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置反復(fù)調(diào)節(jié),直到_____。

(2)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是從同一高度開始運(yùn)動(dòng)的A、B兩小球總是同時(shí)落地,說明_____。

(2)從同一高度開始運(yùn)動(dòng)的A、B兩小球總是同時(shí)落地,說明小球A離開軌道后沿豎直方向的分運(yùn)動(dòng)與小球B的運(yùn)動(dòng)情況相同,都是自由落體運(yùn)動(dòng)。

答案:(1)軌道末端切線水平 (2)小球A離開軌道后沿豎直方向的分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng)

拓展:教材中給出的驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合所學(xué)選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材也來設(shè)計(jì)一個(gè)驗(yàn)證做平拋運(yùn)動(dòng)物體的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)吧!

圖2

類型二:通過實(shí)驗(yàn)研究平拋運(yùn)動(dòng)水平分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

要驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng),可以采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,探究做平拋運(yùn)動(dòng)物體的水平射程與初速度、下落高度等的關(guān)系。

例2某同學(xué)采用如圖3 所示的裝置探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。兩個(gè)相同的弧形軌道左側(cè)固定在支架上,末端水平,位于同一豎直平面內(nèi),上方軌道末端與支架上方水平部分右端平齊,支架下方水平部分光滑且足夠長,兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D,調(diào)節(jié)電磁鐵C、D的高度使AC=BD,從而保證小鐵球P、Q運(yùn)動(dòng)到兩軌道末端時(shí)的水平速度v0相等?，F(xiàn)將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上,某時(shí)刻切斷電源,使兩小球同時(shí)從兩軌道末端射出。回答以下問題:

圖3

(1)實(shí)驗(yàn)可觀察到的現(xiàn)象是____。

(2)僅改變上方軌道距離支架下方水平部分的高度,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),仍能觀察到相同的現(xiàn)象,這說明____。

(3)為了探究影響平拋運(yùn)動(dòng)水平射程的因素,撤掉下方軌道,通過改變小鐵球P拋出點(diǎn)距離支架下方水平部分的高度和平拋初速度的方法做了6 次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。若探究小球P水平射程與高度的關(guān)系,則可用表中序號(hào)為____的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);若探究小球P水平射程與初速度的關(guān)系,則可用表中序號(hào)為____的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1

(2)僅改變上方軌道距離支架下方水平部分的高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),仍能觀察到小鐵球P、Q相撞,說明兩小球在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的水平分位移始終相同,即做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

(3)根據(jù)控制變量法可知,若探究小鐵球P水平射程與高度的關(guān)系,則需保持小鐵球P拋出時(shí)的速度不變,通過改變小鐵球P拋出點(diǎn)的高度完成實(shí)驗(yàn),即可用表中序號(hào)為1、3、5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);若探究小鐵球P水平射程與初速度的關(guān)系,則需保持小鐵球P拋出點(diǎn)的高度不變,通過改變小鐵球P拋出時(shí)的速度完成實(shí)驗(yàn),即可用表中序號(hào)為1、2(或3、4,或5、6)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

答案:(1)小球P、Q相撞 (2)做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng) (3)1、3、5 1、2(或3、4,或5、6)

類型三:利用實(shí)驗(yàn)得出的運(yùn)動(dòng)軌跡研究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

通過實(shí)驗(yàn)描繪出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡(一條拋物線),測出相關(guān)物理量,經(jīng)過定性分析和定量計(jì)算可以利用數(shù)學(xué)知識(shí)探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

例3如圖4甲所示是“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

(1)每次讓小球從斜槽上同一位置由靜止釋放,通過多次實(shí)驗(yàn)描繪小球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,并測量相關(guān)物理量,如圖4 乙所示,其中O為拋出點(diǎn),則小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為____m/s。(g取9.8m/s2)

圖4

(2)若將斜槽末端與一角度可調(diào)節(jié)的斜面相接,如圖5 甲所示。每次讓小球從斜槽上同一位置由靜止釋放,通過改變斜面與水平地面間的夾角θ,獲得不同的射程x,作出x-tanθ如圖5乙所示,則小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0=____。(g取10m/s2)

圖5

(2)根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律得h=,x=v0t。根據(jù)幾何關(guān)系得tanθ=,整理得x=,結(jié)合x-tanθ圖像得,解得v0=1m/s。

答案:(1)1.6m/s (2)1m/s

拓展:用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪物體做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是教材中的“拓展學(xué)習(xí)”的內(nèi)容。同學(xué)們需要了解和掌握借助傳感器和計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)的工作原理,并能夠利用其工作原理自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。