“探究平拋運動的特點”實驗方案盤點

■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,做平拋運動。探究平拋運動特點的實驗方案根據實驗目的的不同大致可以分為以下三類。

類型一:通過實驗研究平拋運動豎直分運動的特點

根據運動的合成與分解將平拋運動分解到水平方向和豎直方向上,要驗證平拋運動的豎直分運動是自由落體運動,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設計實驗方案。

例1某同學采用如圖1所示的裝置探究平拋運動的特點。小球A沿圓弧軌道滑下,離開軌道末端時撞開接觸開關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,多次實驗。回答以下問題:

圖1

(1)要保證小球A離開軌道末端后做平拋運動,在實驗前應對實驗裝置反復調節,直到_____。

(2)觀察到的實驗現象是從同一高度開始運動的A、B兩小球總是同時落地,說明_____。

(2)從同一高度開始運動的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動與小球B的運動情況相同,都是自由落體運動。

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動為自由落體運動

拓展:教材中給出的驗證平拋運動的豎直分運動是自由落體運動的實驗裝置如圖2 所示。請同學們結合所學選擇合適的實驗器材也來設計一個驗證做平拋運動物體的豎直分運動是自由落體運動的實驗吧!

圖2

類型二:通過實驗研究平拋運動水平分運動的特點

要驗證平拋運動的水平分運動是勻速直線運動,可以采用控制變量法設計實驗方案,探究做平拋運動物體的水平射程與初速度、下落高度等的關系。

例2某同學采用如圖3 所示的裝置探究平拋運動的特點。兩個相同的弧形軌道左側固定在支架上,末端水平,位于同一豎直平面內,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,調節電磁鐵C、D的高度使AC=BD,從而保證小鐵球P、Q運動到兩軌道末端時的水平速度v0相等。現將小鐵球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。回答以下問題:

圖3

(1)實驗可觀察到的現象是____。

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

(3)為了探究影響平拋運動水平射程的因素,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 次實驗,實驗數據記錄如表1所示。若探究小球P水平射程與高度的關系,則可用表中序號為____的實驗數據;若探究小球P水平射程與初速度的關系,則可用表中序號為____的實驗數據。

表1

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

(3)根據控制變量法可知,若探究小鐵球P水平射程與高度的關系,則需保持小鐵球P拋出時的速度不變,通過改變小鐵球P拋出點的高度完成實驗,即可用表中序號為1、3、5的實驗數據;若探究小鐵球P水平射程與初速度的關系,則需保持小鐵球P拋出點的高度不變,通過改變小鐵球P拋出時的速度完成實驗,即可用表中序號為1、2(或3、4,或5、6)的實驗數據。

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

類型三:利用實驗得出的運動軌跡研究平拋運動的特點

通過實驗描繪出平拋運動的軌跡(一條拋物線),測出相關物理量,經過定性分析和定量計算可以利用數學知識探究平拋運動的特點。

例3如圖4甲所示是“探究平拋運動的特點”的實驗裝置圖。

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

圖4

(2)若將斜槽末端與一角度可調節的斜面相接,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,則小球做平拋運動的初速度v0=____。(g取10m/s2)

圖5

(2)根據平拋運動規律得h=,x=v0t。根據幾何關系得tanθ=,整理得x=,結合x-tanθ圖像得,解得v0=1m/s。

答案:(1)1.6m/s (2)1m/s

拓展:用傳感器和計算機描繪物體做平拋運動的軌跡是教材中的“拓展學習”的內容。同學們需要了解和掌握借助傳感器和計算機完成實驗的工作原理,并能夠利用其工作原理自主設計創新性實驗。