高中物理人教版 (2019)必修 第二册实验：探究平抛运动的特点教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册实验：探究平抛运动的特点教学设计，共10页。教案主要包含了教学目标，核心素养发展，教学重点，教学难点，教学方法等内容，欢迎下载使用。
【教学目标】
1.知道什么是抛体运动，理解抛体运动是一种匀变速运动。
2.知道平抛运动形成的条件。
3.知道平抛运动的特点是初速度方向水平．只有竖直方向受重力作用，运动轨迹是抛物线。
4.理解平抛运动是匀变速运动．其加速度为g。
【核心素养发展】
核心知识
1.什么是抛体运动，理解抛体运动是一种匀变速运动。
2.抛体运动的条件；平抛运动形成的条件。
3.平抛运动是匀变速运动．其加速度为g。
核心能力
1.在知识教学中应同时进行科学研究过程教育，本节课以研究平抛物体运动规律为中心所展开的课堂教学，应突出一条研究物理科学的一般思想方法的主线：
观察现象→初步分析→猜测实验研究→得出规律→重复实验→鉴别结论→追求统一。
2.利用已知的直线运动的规律来研究复杂的曲线运动，渗透物理学“化曲为直”“化繁为简”的方法及“等效代换”正交分解”的思想方法。
科学品质
1.通过重复多次实验，进行共性分析、归纳分类，达到鉴别结论的教育目的，同时还能进行理论联系实际的教育。
【教学重点】
1.什么是抛体运动；抛体运动的条件；平抛运动形成的条件。
2.理解抛体运动是一种匀变速运动。
【教学难点】
1.理解抛体运动是一种匀变速运动。
2.实验探究的过程。
【教学方法】
教师启发、引导学生思考，讨论、交流学习成果。探究法、讨论法、实验法。
（一）新课导入
前面我们学习了曲线运动的相关知识以及研究曲线运动基本方法——运动的合成与分解，通过前面的学习我们也仅仅是从理论上了解了通过运动的合成与分解能够研究曲线运动的规律，但我们还没有把这一理论应用到实际的曲线运动中来检验一番，所以这节课我们就来完成这一项任务，通过运动的合成与分解来研究一种生活中常见的运动——平抛运动．
（二）新课内容
一、抛体运动和平抛运动
抛体运动：以一定的初速度将物体抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，物体只受重力的作用，这时的运动叫抛体运动。
平抛运动：如果初速度是沿水平方向的，这样的抛体运动叫作平抛运动.
抛体运动的分类：根据抛体运动初速度的方向我们还可以对抛体运动进行如下分类：
初速度竖直向上，竖直上抛运动
初速度竖直向下：竖直下抛运动
初速度与水平面成正角：斜上抛运动
初速度与水平面成负角；斜下抛运动
我们这节课的任务就是探究平抛运动的规律．
二、平抛运动竖直方向的运动规律
用平抛运动演示仪演示来做下面这个 [演示实验]，如图1所示。
图1
实验过程：用小锤打击弹簧金属片，金属片把A球沿水平方向抛出，同时小球被松开，自由下落．A、B两球同时开始运动．
学生观察时注意事项
第一次，同时观察两个小球的运动。
第二次，只观察A小球的运动。
第三次，判断AB两个球是否同时落地。
判断技巧：那就是不要用眼睛看．而是用耳朵听．两个小球落地后会不止蹦一下，我们只听它们落地的第一声响．如果我们只听到一声响，说明两个小球同时落地，如果听到两个落地声，说明两个小球先后落地．在做实验之前我们先来听一下一个小球落地的声音．
实验结论：同学们听到一个落地声，说明两个小球同时落地。结合理论分析，A球在金属片的打击下获得水平初速度后只在重力作用下运动，做的是平抛运动，竖直方向没有分速度；B球被松开后没有任何初速度且只受到重力的作用，因此做的是自由落体运动。
学生分组不断重复上述实验，确认结论。
最后的 结论：平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动。
三、平抛运动水平方向的运动规律
研究水平方向上的分运动，与匀速直线运动对比看是否一样？
按照以下步骤准备实验装置 [演示实验]，如图2所示。
图2
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，观察重垂线或气泡水准，使面板处于竖直平面内，卡好定位板。
将描迹记录纸衬垫一张复写纸或打字蜡纸，紧贴记录面板用压纸板固定在面板上，使横坐标x轴在水平方向上，纵坐标y轴沿竖直方向向下(若用白纸，可事先用铅笔在纸上画出x、y坐标轴线)，并注意使坐标原点的位置在乎抛物体(钢球)的质心(即球心)离开轨道处。
把接球挡板拉到最上方一格的位置。
将定位板定在某一位置固定好．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。
下落的钢球打在面板倾斜的接球挡板上，同时在面板上留下一个印迹点。
再将接球挡板向下拉一格，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。
变更定位板的位置，即可改变钢球乎抛的初速度，按上述实验操作方法，便可打出另一系列迹点。
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，即可得到以不同的初速度做平抛运动的轨迹图线，如图3所示。
图3
根据自由落体运动的位移公式x=1/2gt2我们可以得出，在相邻相等的时间间隔内物体所发生的位移之比为1：3：5：…：(2n+1)，那么我们就可以从坐标系中的纵轴上选取长度分别为h、3h、5h的相邻的线段，即选取纵坐标分别为h、4h、9h的三个点．例如选择5、20、45这几个点．如图4所示，在平抛的轨迹上找出纵坐标与之相对应的点，这些点所对应的横坐标即为平抛运动的水平分运动在相邻相等的时间间隔里所达到的位置。
图4
这样我们就找出了水平分运动在相邻相等的时间间隔内所发生的位移，观察这些水平分位移，可以得到这些水平分位移都近似相等。
由此我们可以得出结论，平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。
最后结论：平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。
四、研究平抛运动规律的实验步骤
（一）、实验目的
(1)描出平抛物体的运动轨迹，并验证轨迹是一条抛物线。
(2)根据运动轨迹求平抛物体的初速度。
（二）、实验原理
1．利用追踪法逐点描出小球运动的轨迹。
2．建立坐标系，如果轨迹上各点的y坐标与x坐标间的关系具有y＝ax2的形式(a是一个常量)，则轨迹是一条抛物线。
3．测出轨迹上某点的坐标x、y，据x＝v0t、y＝eq \f(1,2)gt2得初速度v0＝x· eq \r(\f(g,2y))。
（三）、实验器材
斜槽、小球、方木板、铁架台、白纸、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺。
（四）、实验步骤
1．安装调平
将带有斜槽轨道的木板固定在实验桌上，其末端伸出桌面外，轨道末端切线水平。如图5所示。
图5
2．建立坐标系
用图钉将坐标纸固定于竖直木板的左上角，把木板调整到竖直位置，使板面与小球的运动轨迹所在平面平行且靠近，把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口(轨道末端)时球心在木板上的投影点O，O点即为坐标原点，用重垂线画出过坐标原点的竖直线，作为y轴，画出水平向右的x轴。
3．确定球的位置
将小球从斜槽上某一位置由静止滑下，小球从轨道末端射出，先用眼睛粗略确定做平抛运动的小球在某一x值处的y值，然后让小球由同一位置自由滚下，在粗略确定的位置附近用铅笔较准确地描出小球通过的位置，并在坐标纸上记下该点。用同样的方法确定轨迹上其他各点的位置。
4．描点得轨迹
取下坐标纸，将坐标纸上记下的一系列点，用平滑曲线连起来，即得到小球平抛运动轨迹。
（五）、数据处理
1．判断平抛运动的轨迹是抛物线
(1)如图6所示，在x轴上作出等距离的几个点A1、A2、A3、…，把线段OA1的长度记为L，那么OA2＝2L、OA3＝3L、…，过A1、A2、A3、…向下作垂线，与轨迹的交点记为M1、M2、M3、…。
图6
(2)设轨迹是一条抛物线，则M1、M2、M3、…各点的y坐标与x坐标应该具有的形式为y＝ax2，a是常量。
(3)用刻度尺测量某点的x、y两个坐标，代入y＝ax2中，求出常量a。
(4)测量其他几个点的x、y坐标，代入上式，看由各点坐标求出的a值是否相等。如果在误差允许范围内相等，就说明该曲线为抛物线。
2．计算平抛物体的初速度
(1)在确定坐标原点为抛出点的情况下，在轨迹曲线上任取几点(如A、B、C、D)。
(2)用刻度尺和三角板分别测出它们的坐标x和y。
(3)据平抛运动水平方向是匀速直线运动(x＝v0t)及竖直方向是自由落体运动eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y＝\f(1,2)gt2))，分别计算小球的初速度v0，最后计算小球的初速度v0的平均值。
（六）、误差分析
(1)斜槽末端没有调水平，小球离开斜槽后不做平抛运动。
(2)确定小球运动的位置时不准确。
(3)量取轨迹上各点坐标时不准确。
（七）、注意事项
(1)实验中必须调整斜槽末端的切线水平(检验是否水平的方法是：将小球放在斜槽末端任一位置，看其是否能静止)。
(2)方木板必须处于竖直平面内，固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直。
(3)小球每次必须从斜槽上同一位置由静止滚下。
(4)坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时球心在木板上的投影点。
(5)小球开始滚下的位置高度要适中，以使小球平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。
(6)在轨迹上选取离坐标原点O点较远的一些点来计算初速度。
四、课堂小练
1．在“研究平抛物体的运动规律”的实验中，在安装实验装置的过程中，斜槽末端的切线必须是水平的，这样做的目的是( )
A．保证小球飞出时，速度既不太大，也不太小
B．保证小球飞出时，初速度水平
C．保证小球在空中运动的时间每次都相等
D．保证小球运动的轨迹是一条抛物线
解析：选B 斜槽末端切线必须水平，是为了确保初速度水平，以满足平抛运动的条件，故B对。
2．(多选)在做“研究平抛运动”的实验中，下列说法中正确的是( )
A．安装斜槽和木板时，一定要注意木板是否竖直
B．安装斜槽和木板时，只要注意小球不和木板发生摩擦即可
C．每次实验都要把小球从同一位置由静止释放
D．实验的目的是描出小球的运动轨迹，分析平抛运动的规律
解析：选ACD 安装斜槽和木板时，木板要竖直，以保证描点准确，选项A正确，选项B错误；为保证小球每次做平抛运动的初速度相同，每次实验都要把小球从同一位置由静止释放，选项C正确；实验目的就是选项D所述，故选项D正确。
3.平抛物体的运动规律可以概括为两点：①水平方向做匀速直线运动；②竖直方向做自由落体运动。为了研究平抛物体的运动，可进行如下实验：如图7所示，用小捶打击弹性金属片，A球就水平飞出，同时B球被松开，做自由落体运动，两球同时落到地面。这个实验( )
图7
A．只能说明上述规律中的第①条
B．只能说明上述规律中的第②条
C．不能说明上述规律中的任何一条
D．能同时说明上述两条规律
解析：选B 因金属片受到小锤打击，向前推动A球，使A球做平抛运动，同时B球被松开，做自由落体运动。A、B两球同时落到地面，A球的水平初速度并不影响A球在竖直方向的运动，说明两球在竖直方向上具有相同的运动规律，选项B正确。
4．在“研究平抛运动”的实验中，不会增大实验误差的是( )
A．小球每次自由滚落的高度不同
B．斜槽末端不水平
C．小球飞行过程受到空气阻力
D．斜槽与小球之间有摩擦
解析：选D 为保证小球每次做平抛运动的初速度相同，每次释放小球时应在斜槽上的同一位置，A错。斜槽末端不水平，小球离开斜槽后不做平抛运动，B错。小球飞行过程受到空气阻力作用，它不做平抛运动，运动轨迹不是严格的抛物线，C错。实验中只要求小球离开槽末端的瞬时速度水平且相同就可以了，即使斜槽与小球间有摩擦，这一要求也能做到，D对。
5.某同学在做“研究平抛运动”的实验中，忘记记下小球做平抛运动的起点位置O，A为物体运动一段时间后的位置，根据如图8所示，求出物体做平抛运动的初速度为________ m/s。(g取10 m/s2)
图8
解析：由题图可知AB、BC间的竖直距离yAB＝15 cm＝0.15 m，yBC＝0.25 m
因为xAB＝xBC＝0.20 m，所以小球从A运动到B与从B运动到C的时间相同，设此时间为t。据yBC－yAB＝gt2得
t＝ eq \r(\f(yBC－yAB,g))＝ eq \r(\f(0.25－0.15,10)) s＝0.10 s。
又因为xAB＝v0t，所以v0＝eq \f(xAB,t)＝eq \f(0.20,0.10) m/s＝2.0 m/s。
答案：2.0
五、板书设计
一.抛体运动
条件：具有一定的初速度；忽略空气阻力；只受重力的作用
初速度为水平方向的抛体运动叫做平抛运动
二、竖直方向的运动规律
受力情况：只受重力作用
初速度情况：无
结论：平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动．
三、水平方向的运动规律
受力情况：不受力
初速度情况：有
结论：平抛运动在水平方向的分运动为匀速直线运动．
六、作业布置
课堂作业：课本P13全部
七、小结
1．什么是平抛运动?初速度方向为水平方向的抛体运动叫做平抛运动．
2．平抛运动水平和竖直两个方向上的分运动分别是什么运动?
水平方向是匀速直线运动；竖直方向是自由落体运动．