探究平抛运动特点实验题型归类探析

刘述春 赵财昌

(山东省青岛市即墨区美术学校,山东 青岛 266200)

实验题是高中物理考试的必考题型,也是学生失分较多的题型.考试的实验题大多来自必做实验,所以在平时学习时要多总结必做实验的各种题型,达到融会贯通.下面对人教版高中物理必修一(2022版)中的学生必做实验“实验:探究平抛运动的特点”常考题型归类解析,供大家学习参考.

1 实验原理题型

让小球做平抛运动,先用描迹法或其他方法画出小球的运动轨迹,然后根据描绘的轨迹探究小球在水平方向和竖直方向运动的特点.依据这一实验原理往往有不同的实验设计方案.

例1某实验小组做“探究平抛运动的特点”的实验时,用到如图1所示的装置,通过描点法画出小球做平抛运动的轨迹.

图1 实验装置图

(1)关于该实验的一些操作要求,下列说法正确的是____(多选).

A.实验中记录的点应适当多一些

B.小球在运动过程中不能与白纸接触

C.每次记录小球位置时凹槽必须下降相同高度

D.小球每次一定要从同一位置静止滚下

(2)在做实验时,下列器材不需要的是____(多选).

A.弹簧秤 B.重锤线 C.打点计时器

(3)为了验证小球在水平方向是匀速运动,该小组用到了频闪摄影的方法,记录了如图2的频闪照片.如果测量得到x1、x2、x3、x4数据,需要满足的关系是____.用下列计算式求得的水平速度,误差较小的是____(已知频闪周期为T).

变式某同学做“探究平抛运动的特点”的实验,为了测量平抛运动的初速度,采用图3所示的装置.先把一个斜面固定在桌面上,然后在竖直木板上固定叠放好的白纸和复写纸,桌子的边缘、斜面的底边ab、木板三者均保持平行.多次改变桌子的边缘与木板之间的距离,在斜面上同一位置释放小球,小球碰撞木板,通过复写纸在白纸上记录小球的位置.

图3 实验装置图

(1)关于该实验的一些操作要求,下列说法正确的是____(多选).

A.每次要让小球从斜面上同一位置静止滚下

B.选择斜面时要尽量选择对小球摩擦力小的斜面

C.实验时要让桌子的边缘与斜面的底边ab重合

D.实验时应保持桌面水平

(2)图3装置中,木板上悬挂一条铅垂线,其作用是____.

解析(1)每次让小球从斜面上同一位置静止滚下,这样才能保证小球每次平抛的初速度相同,沿同一轨迹做平抛运动,只要满足这一条件,斜面有无摩擦力都对实验没有影响,故A正确,B错误;只有实验过程中保持桌面水平,才能保证小球抛出的速度是水平方向,做平抛运动,斜面的底边ab不能与桌边重合,否则小球就沿斜面抛出做斜抛运动了,故C错误,D正确,所以答案选AD.

(2)实验时要保证固定的木板在竖直面内,所以利用铅垂线将木板调整到竖直方向并固定.

点评不管选择什么样的实验方案,首先要保证小球做平抛运动,即抛出速度是水平方向;其次要保证小球的抛出速度相同,即每次应从同一位置(高度)无初速的释放小球,斜面有无摩擦力对实验没有影响.该实验虽为探究实验,但结论我们都已知晓,所以分析小球在水平方向和竖直方向运动特点的有关问题时,可以结合已知结论分析,即结合“竖直方向做自由落体运动和水平方向做匀速直线运动”分析.

2 数据分析题型

实验数据处理对学生来说是个难点.该实验的数据处理主要是根据运动轨迹求解小球的初速度,运动到某位置的竖直速度(速度竖直分量)、速度(合速度),重力加速度等.常见题型有两种:一是平抛轨迹完整(有抛出点),二是平抛轨迹残缺(无抛出点),也就是选取运动轨迹的一部分,不含有抛出点.这种情况的题考查较多,难度较大,学生易失分.

2.1 平抛轨迹完整

例2某同学利用图4(a)装置做“探究平抛运动的特点”实验,得到图4(b)实验数据,则小球做平抛运动的初速度为____m/s,已知O是抛出点,g取 9.8 m/s2.

图4 实验装置图及实验数据

点评平抛轨迹完整,也就是已知抛出点的题目,在竖直方向可以直接应用自由落体运动的规律而显得较为简单.

2.2 平抛轨迹残缺

例3某实验小组做“探究平抛运动的特点”的实验,用到如图5(a)所示装置,其中带有方格的纸板放在竖直平面内,且与小球轨迹所在平面平行.在探究过程中,该小组利用频闪摄影的方法得到图5(b)所示的频闪照片(没有记录小球抛出点的位置),如图5(b)已测出小球相邻位置的高度差.已知频闪周期为0.05 s,纸板上每个小方格的边长为5 cm.

图5 实验装置图 频闪照片及实验数据

根据以上信息,请回答下列问题.(计算结果保留1位小数)

(1)通过计算可知当地重力加速度的大小为____m/s2;

(2)当小球在图5(b)中的位置A时,速度的水平分量大小为____m/s,竖直分量大小为____m/s.

点评本题利用频闪仪和照相机获得小球的运动轨迹,考查了分运动的等时性和独立性,同时也考查了匀变速直线运动中间时刻的速度、逐差法等知识,是掌握平抛运动实验抛出点未知的一道好题[1].

变式某实验小组在做“探究平抛运动的特点”实验时,只得到了如图6所示的部分运动轨迹(A不是抛出点).小组同学经过商量后,在轨迹上取水平方向等间距的A、B、C三点,测量间距Δx=0.2 m,再测出相邻两点的竖直距离为h1=0.1 m,h2=0.2 m.根据以上信息,请完成下列问题.(g取10 m/s2)

图6 运动轨迹及数据

(1)小球抛出时的初速度大小为____ m/s;

(2)小球经过B点时的速度大小为____ m/s;

(3)抛出点在A点上方的高度为____m.

答案:(1)2 m/s (2)2.5 m/s (3)0.012 5 m

3 结束语

纵观各类考试试题,对“实验:探究平抛运动的特点”的考查都是从实验原理和实验数据处理两个方面展开的.我们只有深入理解实验原理和实验数据处理的方法,才能以不变应万变;只有平时归类总结,才能融会贯通,以逸待劳.