探究平拋運動特點實驗題型歸類探析

劉述春 趙財昌

(山東省青島市即墨區美術學校,山東 青島 266200)

實驗題是高中物理考試的必考題型,也是學生失分較多的題型.考試的實驗題大多來自必做實驗,所以在平時學習時要多總結必做實驗的各種題型,達到融會貫通.下面對人教版高中物理必修一(2022版)中的學生必做實驗“實驗:探究平拋運動的特點”常考題型歸類解析,供大家學習參考.

1 實驗原理題型

讓小球做平拋運動,先用描跡法或其他方法畫出小球的運動軌跡,然后根據描繪的軌跡探究小球在水平方向和豎直方向運動的特點.依據這一實驗原理往往有不同的實驗設計方案.

例1某實驗小組做“探究平拋運動的特點”的實驗時,用到如圖1所示的裝置,通過描點法畫出小球做平拋運動的軌跡.

圖1 實驗裝置圖

(1)關于該實驗的一些操作要求,下列說法正確的是____(多選).

A.實驗中記錄的點應適當多一些

B.小球在運動過程中不能與白紙接觸

C.每次記錄小球位置時凹槽必須下降相同高度

D.小球每次一定要從同一位置靜止滾下

(2)在做實驗時,下列器材不需要的是____(多選).

A.彈簧秤 B.重錘線 C.打點計時器

(3)為了驗證小球在水平方向是勻速運動,該小組用到了頻閃攝影的方法,記錄了如圖2的頻閃照片.如果測量得到x1、x2、x3、x4數據,需要滿足的關系是____.用下列計算式求得的水平速度,誤差較小的是____(已知頻閃周期為T).

變式某同學做“探究平拋運動的特點”的實驗,為了測量平拋運動的初速度,采用圖3所示的裝置.先把一個斜面固定在桌面上,然后在豎直木板上固定疊放好的白紙和復寫紙,桌子的邊緣、斜面的底邊ab、木板三者均保持平行.多次改變桌子的邊緣與木板之間的距離,在斜面上同一位置釋放小球,小球碰撞木板,通過復寫紙在白紙上記錄小球的位置.

圖3 實驗裝置圖

(1)關于該實驗的一些操作要求,下列說法正確的是____(多選).

A.每次要讓小球從斜面上同一位置靜止滾下

B.選擇斜面時要盡量選擇對小球摩擦力小的斜面

C.實驗時要讓桌子的邊緣與斜面的底邊ab重合

D.實驗時應保持桌面水平

(2)圖3裝置中,木板上懸掛一條鉛垂線,其作用是____.

解析(1)每次讓小球從斜面上同一位置靜止滾下,這樣才能保證小球每次平拋的初速度相同,沿同一軌跡做平拋運動,只要滿足這一條件,斜面有無摩擦力都對實驗沒有影響,故A正確,B錯誤;只有實驗過程中保持桌面水平,才能保證小球拋出的速度是水平方向,做平拋運動,斜面的底邊ab不能與桌邊重合,否則小球就沿斜面拋出做斜拋運動了,故C錯誤,D正確,所以答案選AD.

(2)實驗時要保證固定的木板在豎直面內,所以利用鉛垂線將木板調整到豎直方向并固定.

點評不管選擇什么樣的實驗方案,首先要保證小球做平拋運動,即拋出速度是水平方向;其次要保證小球的拋出速度相同,即每次應從同一位置(高度)無初速的釋放小球,斜面有無摩擦力對實驗沒有影響.該實驗雖為探究實驗,但結論我們都已知曉,所以分析小球在水平方向和豎直方向運動特點的有關問題時,可以結合已知結論分析,即結合“豎直方向做自由落體運動和水平方向做勻速直線運動”分析.

2 數據分析題型

實驗數據處理對學生來說是個難點.該實驗的數據處理主要是根據運動軌跡求解小球的初速度,運動到某位置的豎直速度(速度豎直分量)、速度(合速度),重力加速度等.常見題型有兩種:一是平拋軌跡完整(有拋出點),二是平拋軌跡殘缺(無拋出點),也就是選取運動軌跡的一部分,不含有拋出點.這種情況的題考查較多,難度較大,學生易失分.

2.1 平拋軌跡完整

例2某同學利用圖4(a)裝置做“探究平拋運動的特點”實驗,得到圖4(b)實驗數據,則小球做平拋運動的初速度為____m/s,已知O是拋出點,g取 9.8 m/s2.

圖4 實驗裝置圖及實驗數據

點評平拋軌跡完整,也就是已知拋出點的題目,在豎直方向可以直接應用自由落體運動的規律而顯得較為簡單.

2.2 平拋軌跡殘缺

例3某實驗小組做“探究平拋運動的特點”的實驗,用到如圖5(a)所示裝置,其中帶有方格的紙板放在豎直平面內,且與小球軌跡所在平面平行.在探究過程中,該小組利用頻閃攝影的方法得到圖5(b)所示的頻閃照片(沒有記錄小球拋出點的位置),如圖5(b)已測出小球相鄰位置的高度差.已知頻閃周期為0.05 s,紙板上每個小方格的邊長為5 cm.

圖5 實驗裝置圖 頻閃照片及實驗數據

根據以上信息,請回答下列問題.(計算結果保留1位小數)

(1)通過計算可知當地重力加速度的大小為____m/s2;

(2)當小球在圖5(b)中的位置A時,速度的水平分量大小為____m/s,豎直分量大小為____m/s.

點評本題利用頻閃儀和照相機獲得小球的運動軌跡,考查了分運動的等時性和獨立性,同時也考查了勻變速直線運動中間時刻的速度、逐差法等知識,是掌握平拋運動實驗拋出點未知的一道好題[1].

變式某實驗小組在做“探究平拋運動的特點”實驗時,只得到了如圖6所示的部分運動軌跡(A不是拋出點).小組同學經過商量后,在軌跡上取水平方向等間距的A、B、C三點,測量間距Δx=0.2 m,再測出相鄰兩點的豎直距離為h1=0.1 m,h2=0.2 m.根據以上信息,請完成下列問題.(g取10 m/s2)

圖6 運動軌跡及數據

(1)小球拋出時的初速度大小為____ m/s;

(2)小球經過B點時的速度大小為____ m/s;

(3)拋出點在A點上方的高度為____m.

答案:(1)2 m/s (2)2.5 m/s (3)0.012 5 m

3 結束語

縱觀各類考試試題,對“實驗:探究平拋運動的特點”的考查都是從實驗原理和實驗數據處理兩個方面展開的.我們只有深入理解實驗原理和實驗數據處理的方法,才能以不變應萬變;只有平時歸類總結,才能融會貫通,以逸待勞.