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实验：探究平抛运动的特点

引言

平抛运动是物理学中一种典型的曲线运动，它是指物体以一定的初速度沿水平方向抛出，仅在重力作用下所做的运动。理解平抛运动的特点，不仅有助于我们深入掌握运动的合成与分解这一重要物理思想，也为后续学习更复杂的曲线运动奠定基础。本实验旨在通过具体的操作和观测，探究平抛运动在水平方向和竖直方向上的运动规律，从而归纳出平抛运动的基本特点。

实验原理

平抛运动可以被分解为两个相互独立的分运动：一个是水平方向上的匀速直线运动，其速度等于平抛物体的初速度；另一个是竖直方向上的自由落体运动，其加速度为重力加速度。基于此，我们可以推断：

1.平抛物体在水平方向的位移与运动时间成正比。

2.平抛物体在竖直方向的位移与运动时间的平方成正比。

3.平抛物体的运动轨迹是一条抛物线。

通过测量平抛物体在不同时刻的水平和竖直位移，我们可以验证上述推断，从而揭示平抛运动的特点。

实验器材

实验所需器材通常包括：平抛运动实验装置（含斜槽轨道、小球）、铁架台、木板、坐标纸、重锤线、米尺、铅笔、白纸、复写纸（或利用频闪照相/光电门等数字化实验设备，视条件而定）。

实验步骤

一、实验装置的安装与调整

首先，我们需要将斜槽轨道固定在铁架台上，确保斜槽末端的切线方向水平。这是实验成功的关键一步。判断方法可以是：将小球轻放在斜槽末端的水平部分，若小球能保持静止或稍有微小滚动但不偏向任何一方，则可认为末端水平。

接着，在斜槽末端的正下方，放置一块竖直的木板，木板上固定坐标纸。利用重锤线来确定竖直方向，并在坐标纸上标记出竖直线（通常作为y轴）。将小球球心在斜槽末端时的位置作为坐标原点O，过O点作水平线作为x轴。确保坐标轴清晰可见，以便后续描点和测量。

二、确定小球的平抛轨迹

选择斜槽上一个合适的固定释放点。这个释放点应保证小球离开斜槽后能在空中平稳飞行，并落在木板的坐标纸上。每次实验时，都要将小球从该固定位置由静止开始释放，以保证小球每次都具有相同的初速度。

在小球可能经过的路径下方，铺上复写纸（复写面朝下）和白纸。当小球从斜槽滚下，离开末端后做平抛运动，撞击在复写纸上，便会在白纸上留下一个印迹，这个印迹就是小球在该时刻的位置。

为了能够准确描绘出运动轨迹，我们需要在白纸上记录下小球在不同位置的多个印迹点。可以通过改变小球释放点的高度（若斜槽有多个档位）或在不同水平距离处接住小球来实现，也可以简单地多次释放，每次在小球落地前用手指轻触纸面不同区域引导其留下痕迹（此方法需技巧，以不显著干扰小球运动为宜）。一般而言，记录5-7个不同位置的点即可。

三、数据记录与处理

取下记录有小球印迹的白纸。在坐标纸上，仔细标出每个印迹点的中心位置，并分别用字母A、B、C、D...进行标记。

对于每一个标记点，利用米尺准确测量其相对于坐标原点O的水平距离x和竖直距离y，并将数据记录在预先设计的表格中。

四、轨迹描绘与分析

在坐标纸上，使用平滑的曲线将所标记的各个点依次连接起来。这条曲线应尽可能通过或接近所有点，它直观地反映了小球做平抛运动的轨迹。

实验现象与分析

通过上述步骤，我们可以观察到：

1.轨迹形状：连接各点后得到的曲线是一条平滑的曲线，呈现出抛物线的特征。这与理论上平抛运动轨迹为抛物线的结论相符。

2.水平方向运动：如果我们在坐标纸上选取几个点，使得它们的竖直位移y成1:4:9...的比例关系（即对应时间t成1:2:3...的比例关系），测量这些点对应的水平位移x，会发现x也大致成1:2:3...的比例关系。这表明，在相等的时间间隔内，小球在水平方向上的位移相等，即水平方向的分运动是匀速直线运动。

3.竖直方向运动：同样，若选取水平位移x相等的点（即对应相等的时间间隔），测量其竖直位移y，会发现这些y值的比例大致为1:3:5...（即从静止开始的连续相等时间内的位移差为常数）。这表明，竖直方向的分运动是自由落体运动，即初速度为零的匀加速直线运动。

实验结论

综合实验现象与数据分析，我们可以得出以下结论：

平抛运动是由水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动合成的。其运动轨迹是一条抛物线。在忽略空气阻力的情况下，水平方向分运动的速度等于初速度，且不随时间变化；竖直方向分运动的加速度等于重力加速度，初速度为零。

误差分析与注意事项

在实验过程中，不可避免地会产生误差，主要来源包括：

1.斜槽末端不水平：这会导致小球离开斜槽时具有竖直方向的初速度，从而影响轨迹。安装时务必仔细调整。

2.小球释放点不固定或释放时有初速度：这会导致每次平抛的初速度不一致，使得描出的点分散。释放时应确保小球从静止开始运动，且位置固定。

3.空气阻力的影响：对于密度较小或体积较大的小球，空气阻力不能完全忽略，会使实际轨迹与理论轨迹产生偏差。应选用密