“探究平抛运动的特点”实验方案盘点

■张宏明

以一定的初速度将物体沿水平方向抛出,在空气阻力可以忽略的情况下,物体只受重力的作用,做平抛运动。探究平抛运动特点的实验方案根据实验目的的不同大致可以分为以下三类。

类型一:通过实验研究平抛运动竖直分运动的特点

根据运动的合成与分解将平抛运动分解到水平方向和竖直方向上,要验证平抛运动的竖直分运动是自由落体运动,可以利用从同一高度自由下落的不同物体下落至同一高度所用的时间相等这一特点设计实验方案。

例1某同学采用如图1所示的装置探究平抛运动的特点。小球A沿圆弧轨道滑下,离开轨道末端时撞开接触开关S,被电磁铁吸住的小球B同时自由下落,改变整个装置距离地面的竖直高度H,多次实验。回答以下问题:

图1

(1)要保证小球A离开轨道末端后做平抛运动,在实验前应对实验装置反复调节,直到_____。

(2)观察到的实验现象是从同一高度开始运动的A、B两小球总是同时落地,说明_____。

(2)从同一高度开始运动的A、B两小球总是同时落地,说明小球A离开轨道后沿竖直方向的分运动与小球B的运动情况相同,都是自由落体运动。

答案:(1)轨道末端切线水平 (2)小球A离开轨道后沿竖直方向的分运动为自由落体运动

拓展:教材中给出的验证平抛运动的竖直分运动是自由落体运动的实验装置如图2 所示。请同学们结合所学选择合适的实验器材也来设计一个验证做平抛运动物体的竖直分运动是自由落体运动的实验吧!

图2

类型二:通过实验研究平抛运动水平分运动的特点

要验证平抛运动的水平分运动是匀速直线运动,可以采用控制变量法设计实验方案,探究做平抛运动物体的水平射程与初速度、下落高度等的关系。

例2某同学采用如图3 所示的装置探究平抛运动的特点。两个相同的弧形轨道左侧固定在支架上,末端水平,位于同一竖直平面内,上方轨道末端与支架上方水平部分右端平齐,支架下方水平部分光滑且足够长,两轨道上端分别装有电磁铁C、D,调节电磁铁C、D的高度使AC=BD,从而保证小铁球P、Q运动到两轨道末端时的水平速度v0相等。现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上,某时刻切断电源,使两小球同时从两轨道末端射出。回答以下问题:

图3

(1)实验可观察到的现象是____。

(2)仅改变上方轨道距离支架下方水平部分的高度,重复上述实验,仍能观察到相同的现象,这说明____。

(3)为了探究影响平抛运动水平射程的因素,撤掉下方轨道,通过改变小铁球P抛出点距离支架下方水平部分的高度和平抛初速度的方法做了6 次实验,实验数据记录如表1所示。若探究小球P水平射程与高度的关系,则可用表中序号为____的实验数据;若探究小球P水平射程与初速度的关系,则可用表中序号为____的实验数据。

表1

(2)仅改变上方轨道距离支架下方水平部分的高度进行实验,仍能观察到小铁球P、Q相撞,说明两小球在相同的时间内发生的水平分位移始终相同,即做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动。

(3)根据控制变量法可知,若探究小铁球P水平射程与高度的关系,则需保持小铁球P抛出时的速度不变,通过改变小铁球P抛出点的高度完成实验,即可用表中序号为1、3、5的实验数据;若探究小铁球P水平射程与初速度的关系,则需保持小铁球P抛出点的高度不变,通过改变小铁球P抛出时的速度完成实验,即可用表中序号为1、2(或3、4,或5、6)的实验数据。

答案:(1)小球P、Q相撞 (2)做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动 (3)1、3、5 1、2(或3、4,或5、6)

类型三:利用实验得出的运动轨迹研究平抛运动的特点

通过实验描绘出平抛运动的轨迹(一条抛物线),测出相关物理量,经过定性分析和定量计算可以利用数学知识探究平抛运动的特点。

例3如图4甲所示是“探究平抛运动的特点”的实验装置图。

(1)每次让小球从斜槽上同一位置由静止释放,通过多次实验描绘小球做平抛运动的轨迹,并测量相关物理量,如图4 乙所示,其中O为抛出点,则小球做平抛运动的初速度为____m/s。(g取9.8m/s2)

图4

(2)若将斜槽末端与一角度可调节的斜面相接,如图5 甲所示。每次让小球从斜槽上同一位置由静止释放,通过改变斜面与水平地面间的夹角θ,获得不同的射程x,作出x-tanθ如图5乙所示,则小球做平抛运动的初速度v0=____。(g取10m/s2)

图5

(2)根据平抛运动规律得h=,x=v0t。根据几何关系得tanθ=,整理得x=,结合x-tanθ图像得,解得v0=1m/s。

答案:(1)1.6m/s (2)1m/s

拓展:用传感器和计算机描绘物体做平抛运动的轨迹是教材中的“拓展学习”的内容。同学们需要了解和掌握借助传感器和计算机完成实验的工作原理,并能够利用其工作原理自主设计创新性实验。