“探究平拋運(yùn)動的特點(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。探究平拋運(yùn)動特點(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)動豎直分運(yùn)動的特點(diǎn)

根據(jù)運(yùn)動的合成與分解將平拋運(yùn)動分解到水平方向和豎直方向上，要驗(yàn)證平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動，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)動的特點(diǎn)。小球A沿圓弧軌道滑下，離開軌道末端時撞開接觸開關(guān)S，被電磁鐵吸住的小球B同時自由下落，改變整個裝置距離地面的豎直高度H，多次實(shí)驗(yàn)。回答以下問題：

（1）要保證小球A離開軌道末端后做平拋運(yùn)動，在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對實(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)動的A、B兩小球總是同時落地，說明

解析 （1）要保證小球A離開軌道末端后做平拋運(yùn)動，則小球A離開軌道末端時的速度應(yīng)沿水平方向，因此在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，使軌道末端切線水平。

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

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)動為自由落體運(yùn)動

拓展：教材中給出的驗(yàn)證平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。請同學(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)一個驗(yàn)證做平拋運(yùn)動物體的豎直分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)吧！

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

要驗(yàn)證平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動，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)動的特點(diǎn)。兩個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)動到兩軌道末端時的水平速度vo相等?，F(xiàn)將小鐵球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，某時刻切斷電源，使兩小球同時從兩軌道末端射出?；卮鹨韵聠栴}：

（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，則可用表中序號為____ 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

解析 （1）小鐵球P離開軌道后以初速度vo做平拋運(yùn)動，小鐵球Q離開軌道后以初速度vo做勻速直線運(yùn)動，可以觀察到的現(xiàn)象是小鐵球P、Q相撞。

（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間內(nèi)發(fā)生的水平分位移始終相同，即做平拋運(yùn)動的物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動。

（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拋出時的速度完成實(shí)驗(yàn)，即可用表中序號為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)動的物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動（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)動軌跡研究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)

通過實(shí)驗(yàn)描繪出平拋運(yùn)動的軌跡（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)知識探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)。

例3如圖4甲所示是“探究平拋運(yùn)動的特點(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)動的初速度為___ m/s。（g取9.8 m/s2）

（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)動的初速度v0=____。（g取10m/S2）

答案：（1）1.6 m/s（2）1 m/s

拓展：用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪物體做平拋運(yùn)動的軌跡是教材中的“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)。