探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)題型歸類探析

劉述春 趙財(cái)昌

(山東省青島市即墨區(qū)美術(shù)學(xué)校,山東 青島 266200)

實(shí)驗(yàn)題是高中物理考試的必考題型,也是學(xué)生失分較多的題型.考試的實(shí)驗(yàn)題大多來(lái)自必做實(shí)驗(yàn),所以在平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)要多總結(jié)必做實(shí)驗(yàn)的各種題型,達(dá)到融會(huì)貫通.下面對(duì)人教版高中物理必修一(2022版)中的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)“實(shí)驗(yàn):探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”?？碱}型歸類解析,供大家學(xué)習(xí)參考.

1 實(shí)驗(yàn)原理題型

讓小球做平拋運(yùn)動(dòng),先用描跡法或其他方法畫出小球的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后根據(jù)描繪的軌跡探究小球在水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).依據(jù)這一實(shí)驗(yàn)原理往往有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.

例1某實(shí)驗(yàn)小組做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)時(shí),用到如圖1所示的裝置,通過(guò)描點(diǎn)法畫出小球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的一些操作要求,下列說(shuō)法正確的是____(多選).

A.實(shí)驗(yàn)中記錄的點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)多一些

B.小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能與白紙接觸

C.每次記錄小球位置時(shí)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?jié)L下

(2)在做實(shí)驗(yàn)時(shí),下列器材不需要的是____(多選).

A.彈簧秤 B.重錘線 C.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

(3)為了驗(yàn)證小球在水平方向是勻速運(yùn)動(dòng),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(cè)量得到x1、x2、x3、x4數(shù)據(jù),需要滿足的關(guān)系是____.用下列計(jì)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(xué)做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn),為了測(cè)量平拋運(yùn)動(dòng)的初速度,采用圖3所示的裝置.先把一個(gè)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(fù)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(guò)復(fù)寫紙?jiān)诎准埳嫌涗浶∏虻奈恢?

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的一些操作要求,下列說(shuō)法正確的是____(多選).

A.每次要讓小球從斜面上同一位置靜止?jié)L下

B.選擇斜面時(shí)要盡量選擇對(duì)小球摩擦力小的斜面

C.實(shí)驗(yàn)時(shí)要讓桌子的邊緣與斜面的底邊ab重合

D.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)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?jié)L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(yùn)動(dòng),只要滿足這一條件,斜面有無(wú)摩擦力都對(duì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有影響,故A正確,B錯(cuò)誤;只有實(shí)驗(yàn)過(guò)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(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)了,故C錯(cuò)誤,D正確,所以答案選AD.

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證固定的木板在豎直面內(nèi),所以利用鉛垂線將木板調(diào)整到豎直方向并固定.

點(diǎn)評(píng)不管選擇什么樣的實(shí)驗(yàn)方案,首先要保證小球做平拋運(yùn)動(dòng),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(yīng)從同一位置(高度)無(wú)初速的釋放小球,斜面有無(wú)摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有影響.該實(shí)驗(yàn)雖為探究實(shí)驗(yàn),但結(jié)論我們都已知曉,所以分析小球在水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的有關(guān)問(wèn)題時(shí),可以結(jié)合已知結(jié)論分析,即結(jié)合“豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)”分析.

2 數(shù)據(jù)分析題型

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)難點(diǎn).該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理主要是根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡求解小球的初速度,運(yùn)動(dòng)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(jiàn)題型有兩種:一是平拋軌跡完整(有拋出點(diǎn)),二是平拋軌跡殘缺(無(wú)拋出點(diǎn)),也就是選取運(yùn)動(dòng)軌跡的一部分,不含有拋出點(diǎn).這種情況的題考查較多,難度較大,學(xué)生易失分.

2.1 平拋軌跡完整

例2某同學(xué)利用圖4(a)裝置做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn),得到圖4(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),則小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為_(kāi)___m/s,已知O是拋出點(diǎn),g取 9.8 m/s2.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

點(diǎn)評(píng)平拋軌跡完整,也就是已知拋出點(diǎn)的題目,在豎直方向可以直接應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律而顯得較為簡(jiǎn)單.

2.2 平拋軌跡殘缺

例3某實(shí)驗(yàn)小組做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn),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(nèi),且與小球軌跡所在平面平行.在探究過(guò)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(méi)有記錄小球拋出點(diǎn)的位置),如圖5(b)已測(cè)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(gè)小方格的邊長(zhǎng)為5 cm.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖 頻閃照片及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上信息,請(qǐng)回答下列問(wèn)題.(計(jì)算結(jié)果保留1位小數(shù))

(1)通過(guò)計(jì)算可知當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮開(kāi)___m/s2;

(2)當(dāng)小球在圖5(b)中的位置A時(shí),速度的水平分量大小為_(kāi)___m/s,豎直分量大小為_(kāi)___m/s.

點(diǎn)評(píng)本題利用頻閃儀和照相機(jī)獲得小球的運(yùn)動(dòng)軌跡,考查了分運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性和獨(dú)立性,同時(shí)也考查了勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的速度、逐差法等知識(shí),是掌握平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)拋出點(diǎn)未知的一道好題[1].

變式某實(shí)驗(yàn)小組在做“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)時(shí),只得到了如圖6所示的部分運(yùn)動(dòng)軌跡(A不是拋出點(diǎn)).小組同學(xué)經(jīng)過(guò)商量后,在軌跡上取水平方向等間距的A、B、C三點(diǎn),測(cè)量間距Δx=0.2 m,再測(cè)出相鄰兩點(diǎn)的豎直距離為h1=0.1 m,h2=0.2 m.根據(jù)以上信息,請(qǐng)完成下列問(wèn)題.(g取10 m/s2)

圖6 運(yùn)動(dòng)軌跡及數(shù)據(jù)

(1)小球拋出時(shí)的初速度大小為_(kāi)___ m/s;

(2)小球經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)的速度大小為_(kāi)___ m/s;

(3)拋出點(diǎn)在A點(diǎn)上方的高度為_(kāi)___m.

答案:(1)2 m/s (2)2.5 m/s (3)0.012 5 m

3 結(jié)束語(yǔ)

縱觀各類考試試題,對(duì)“實(shí)驗(yàn):探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的考查都是從實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面展開(kāi)的.我們只有深入理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法,才能以不變應(yīng)萬(wàn)變;只有平時(shí)歸類總結(jié),才能融會(huì)貫通,以逸待勞.