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5.3实验：研究平抛运动【教材和学情分析】一、 教材分析平抛物体的运动这节内容编排在学生学习了直线运动的规律和牛顿运动定律及曲线运动和运动的合成与分解这两节内容之后，它既符合学生由易到难，由简到繁的认识规律，又保持了知识的结构性、系统性。二、学生分析1、 高一学生认识事物的特点是：已经开始习惯抽象逻辑思维，但思维还常常与感性经验直接相联系，仍需具体形象的来支持。2、学生在没有学习本节知识之前，已经知道了牛顿运动定律、曲线运动、运动的合成与分解等概念和方法，但没有亲身体验过如何来具体的研究曲线运动。本节课主要采用实验探究的教学模式，逐步引导学生认识事物的本质。学生通过对实验中种种问题的探究，掌握科学认识物理规律的方法。【教学目标】1、知识与技能（1）能描出平抛运动的轨迹。（2）会计算平抛物体的初速度。（3）结合运动分解的知识，明确两个分运动的特点。（4）知道判断运动轨迹是否是抛物线的方法；2、过程与方法通过学生设计实验，体会物理问题的探究思想和实验设计思想，了解设计实验的基本方法；体会并理解在平面上应用牛顿定律的方法3、情感、态度价值观（1）在上一节对平抛运动规律的学习的基础上，通过这一节学生的动手实验，将感性认识和理性思维相结合，使学生获得成功的体验，激发学生学习兴趣和求知的欲望；（2）鼓励学生去创新和实践，提倡多动脑、动手的创新精神，激发学生创新意识，培养学生创新意识和创新品德；【教学重点】平抛运动轨迹的描绘。【教学难点】判断平抛运动的轨迹是不是抛物线以及计算平抛物体的初速度。【教学方法】自主学习与实验探究相结合，加深对平抛运动的感性认识。【教学过程】一、引入新课提问：你们旅游过吗？请一位同学描述某次旅游经过的主要地点。板书学生所述地点图，用粉笔将这些点连起来，得到旅游路线图。小结：两种轨迹图对应两种绘轨迹方法粉笔的完整轨迹和旅游同学的由一系列点得到的旅游路线（轨迹）图。平抛运动在空中一瞬即逝，优美的曲线随即成为历史，没有留下什么具体的可供操作的东西，无法研究平抛运动。要详尽研究平抛运动的特点，必须先得到其运动轨迹。提问：我们如何得到平抛物体的运动轨迹？可以从上述两种留迹法得到启发吗？请设计实验方案。学生提出实验方案，引导学生分析各个方案：二、新课教学展示学习目标及实验探究点(认真阅读教材并结合实验室实际情况选择合适的实验器材和研究方法)探究点1、如何获得平抛运动的轨迹？探究点、如何确定轨迹是否为抛物线？探究点、如何根据已有的轨迹求出平抛的初速度（一）、如何获得平抛运动的轨迹？ (认真阅读教材，深刻理解以下三种参考方案，鼓励学生探索更多方案，选择最适合自己的方案进行研究)【方案一】平抛运动演示仪实验器材:斜槽、小球、木板、白纸（可先画上坐标格）、图钉、铅垂线、直尺、三角板、铅笔等。实验装置：实验步骤：安装调整斜槽:用图钉把白纸钉在竖直板上,在木板的左上角固定斜槽,并使其末端保持水平;调整木板:用悬挂在槽口的铅垂线把木板调整到竖直方向,并使木板平面与小球下落的竖直面平行且靠近,固定好木板;确定坐标轴:把小球放在槽口处,用铅笔记下小球在槽口时球心在木板上的水平投影点O,O即为坐标原点,再利用铅垂线在纸上画出通过O点的竖直线,即y轴;确定小球释放点:选择一个小球在斜槽上合适的位置由静止释放,使小球运动轨迹大致经过白纸的右下角;描绘运动轨迹:把笔尖放在小球可能经过的位置上,如果小球运动中碰到笔尖,用铅笔在该位置画上一点,用同样的方法,从同一位置释放小球,在小球运动路线上描下若干点.注意事项：1、应保持斜槽末端的切线水平，钉有坐标纸的木板竖直，并使小球的运动靠近坐标纸但不接触；2、小球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下，在斜槽上释放小球的高度应适当，使小球以合适的水平初速度抛出，其轨迹在坐标纸的左上角到右下角间分布，从而减小测量误差；3、坐标原点（小球做平抛运动的起点）不是槽口的端点，应是小球在槽口时球心在木板上的水平投影点。水平喷出的细水柱显示平抛运动轨迹。A【方案二】水平喷出的细水柱显示平抛运动的轨迹如图，倒置的饮料瓶内装着水，瓶塞内插着两根两端开口的细管，其中一根弯成水平，且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。水从喷嘴中射出，在空中形成弯曲的细水柱，它显示了平抛运动的轨迹。设法把它描在背后的纸上就能进行分析处理了。插入瓶中的另一根细管的作用，是保持从喷嘴射出水流的速度不变，使其不随瓶内水面的下降而减小。这是因为该管上端与空气相通，A处水的压强始终等于大气压，不受瓶内水面高低的影响。因此，在水面降到A处以前的很长一段时间内，都可以得到稳定的细水柱。 【方案三】频闪照相 数码相机大多具有摄像功能，每秒钟拍摄约15帧照片。可以用它拍摄小球从水平桌面飞出后做平抛运动的几张连续照片。如果用数学课上画函数图象的方格黑板做背景，就可以根据照片上小球的位置在方格纸上画出小球的轨迹。. 原实验的不足之处 (1)斜面小槽配合竖直白纸法不易确定小球平抛运动的位置，实验误差很大，时间很长。 (2)水柱法的轨迹受空气阻力影响大而且不稳定。 (3)这两种方法都没有探究两分运动的性质。 (4)数码摄像机法成本太高不易推广。 总之，3种方法都无法快速、准确地记录小球平抛运动的位置，描出平抛运动的轨迹。汇总讨论结果，我们将采用以下方案来获得：方案一改进版实验仪器：平抛运动实验器(J2154)、学生电源、白纸、复写纸实验装置：实验步骤： 1按照以下步骤准备实验装置(1)将平抛运动实验器置于桌面，装好平抛轨道，使轨道的抛射端处于水平位置。调节调平螺丝，观察重垂线，使面板处于竖直平面内，装置如图所示。(2)将白纸衬垫一张复写纸，紧贴记录面板用夹子固定在面板上，以斜槽末端为坐标原点，根据重垂线定下y坐标轴线，实验完成后取下白纸再作出x坐标轴线(3)把接球挡板拉到较上方的位置。2钢球紧靠定位板释放，球沿轨道向下运动，以一定的初速度由轨道的平直部分水平抛出。3下落的钢球打在向面板倾斜的接球挡板上，同时在面板上留下一个印迹点。4再将接球挡板向下拉一小段，重复上述操作方法，打出第二个印迹点，如此继续下拉接球挡板，直至最低点，即可得到平抛的钢球下落时的一系列迹点(一般取5、6个点)。5变更定位板的位置，即可改变钢球平抛的初速度，按上述实验操作方法，便可打出另一系列迹点。6取下记录纸，将各次实验所记录的点分别用平滑曲线连接起来，即可得到做平抛运动的轨迹图线。数据处理：白纸左上角即为坐标原点O，上边缘为X轴，左边缘为Y轴；把各点用平滑曲线连接起来；量出各点的高度和水平距离，计算出初速度，最后算出平均值。 实验误差来源1、如何保证小球的运动是平抛运动？2、如何保证小球每一次都以相同的速度水平抛出？3、如何确定小球平抛的初始位置？4 、小球受空气阻力应对措施1、应保持斜槽末端的切线水平.2、小球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下，在斜槽上释放小球的高度应适当，使小球以合适的水平初速度抛出，其轨迹在坐标纸的左上角到右下角间分布，从而减小测量误差；3、坐标原点（小球做平抛运动的起点）不是槽口的端点，应是小球在槽口时球心在白纸上的水平投影点。4、实验中选取密度大的小金属球问：改进版与原版有什么优点？ 答：得出的用来描轨迹的点的竖直距离按h、3h、5h、7h，根据平抛运动的特点，相邻两点间的时间间隔应该是一样的。（二）、如何确定轨迹是否为抛物线？(认真阅读教材，按照以下步骤进行操作)yOx实验的理论探究： 1、轨迹上各点坐标应该满足 y = a x2 2、取一点M的坐标代入方程可求出a值3、再在轨迹上任取其它的一些点，量出坐标代入方程，求出不同的点是a 看看是否一样，若各组的a值差不多，则说明轨迹是一条抛物线。请同学们完成下面表格，验证a值：12345水平位移x竖直位移ya值（a=y/x2)（三）、如何根据已有的轨迹求出平抛的初速度？Oxy实验的理论探究：1、在轨迹上取一个点量出它的水平位移x和竖直位移y2、由y=gt2/2求出时间3、由v0=x/t求出初速度思考：M应该离原点较近还是应该较远？xxxy1y2扩展探究：若初始位置不知道，能否求出平抛的初速度呢？取两段相等的水平位移，则两段时间相同。由y2 - y1=gt2可得出时间t;再由v0=x/t求出初速度。例1 如图所示是研究平抛运动的实验装置简图，图是实验后白纸上的轨迹图。说明图中的两条坐标轴是如何作出的。说明判断槽口的切线是否水平的方法。实验过程中需要经多次释放小球才能描绘出小球运动的轨迹，进行这一步骤时应注意什么？提示 回顾该实验的操作步骤及注意事项，对照分析即得。解析 利用拴在槽口处的重锤线画出y轴，x轴与y轴垂直。将小球放在槽口的水平部分，小球既不向里滚动，也不向外滚动，说明槽口的末端是水平的。应注意每次小球都从轨道上同一位置由静止释放。小结 正确画出坐标轴是研究平抛运动特点的必要准备，关键在于利用重垂线画出y轴和确定坐标原点的位置。AABByhx2x1例2在“研究平抛物体的运动”的实验中，某同学只在竖直板面上记下了重锤线y的方向，但忘记了平抛的初位置，在坐标纸上描出了一段曲线的轨迹，如图所示。现在曲线上取A、B两点，量出它们到y轴的距离，AA=x1，BB=x2，以及AB的竖直距离h，用这些可以求出求得小球平抛时的初速度为多大？提示 根据平抛运动的两个分运动的规律，列方程求解。解析 设小球到达A点时，运动时间为t1，竖直方向的位移为y1；到达B点时，运动时间为t2，竖直方向的位移为y2。根据平抛运动的规律有 其中y2y1=h， 所以 。小结 平抛运动水平方向的分运动为匀速直线运动，竖直方向的分运动为自由落体运动。有此列出方程求解，即可求得其初速度。三、小 结1、巩固了平抛运动的知识；2、掌握了获取平抛运动轨迹的方法；3、探究了研究平抛运动规律的方法；4、体验到了科学的研究问题的方法。 四、课堂大练兵1、在做“研究平抛运动”的实验时，除了木板、小球、斜槽、铅笔、图钉之外，下列器材中还需要的是 A.游标卡尺 B.秒表 C.坐标纸 D.天平 E.弹簧秤 F.重垂线二、右图为一小球做平抛运动的闪光照相照片的一部分， A 图中背景方格的边长为5cm，如果取g=10m/s2， B那么：（1）闪光频率是 Hz（2）小球运动中水平分速度的大小是 m/sC四、板书设计1、实验目的：2、实验原理：3、实验步骤五、作 业1.课本片P15 问题与练习1、2题和学习丛书中的题目。2.课下设计其他实验方案六、课后反思
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