2.3 实验4 用水流描绘平抛运动的轨迹

实验4 用水流描绘平抛运动的轨迹

【实验目的】

1、描述平抛物体运动的轨迹。

2、求出平抛物体运动的初速度。

【实验器材】

铁架台、玻璃瓶、橡皮塞、医用注射针头、带阀门的胶管、红墨水、木板及竖直固定支架、胶片、油性笔、图钉、透明胶布、刻度尺、三角板、重锤。

【实验原理】

平抛运动可以看成是两个分运动的合成：一个是水平方向的匀速直线运动，其速度等于平抛物体运动的初速度；另一个是竖直方向的自由落体运动。平抛运动的轨迹是抛物线。利用水流从水平位置的喷嘴流出来，将平抛运动的轨迹呈现出来，测出曲线上任一点的坐标x和y，利用公式x=uy和y= ，就可以求出小球的水平分速度，即平抛物体的初速度。

【实验设计】

与实验3相同，本实验设计的重点也是平抛运动的轨迹长时间呈现出来，并通过描绘平抛运动的轨迹，确定抛体在任何一时刻的位置，从而确定抛体的初速度，

【实验步骤】

1、将红墨水装入玻璃瓶内，用橡皮塞塞住。如图2.3-13（a）所示，在橡皮塞上插上一枚注射针头，与胶管连接后作为进气管，使瓶内液体与外界大气压相连。将一胶管的一端插入橡皮塞内，另一端与另一个医用注射针头相连作为喷嘴。关紧塑料胶管的阀门，将玻璃瓶倒挂在铁架台上，如图1.3-13（b）所示。

2、在带有支架的木板上，贴上胶片，用图钉钉好，将模板竖直放置并固定。

3、将注射针头放在胶片上，调节使其成为水平位置并固定在胶片的左上方。

4、用油性笔记下注射针头的出口位置O，过点O用沿垂线描出竖直方式。

5、打开阀门，让水流从注射针头水平射出，将贴近胶片显示出其运动轨迹，用油性笔沿着水流的运动轨迹在胶片上描出来。这就是水流平抛运动的轨迹。

6、求水流平抛的初速度。

（1）把胶片从木板上取下来，用三角板过点O作与竖直方向垂直的x轴。以点O为原点，画出竖直向下的y轴和水平向右的x轴。

（2）从曲线上去A、B、C、D、E、F等多个不同的点，测出它们的坐标值。根据坐标，代入公式 ，求出水流平抛的初速度。

【实验数据记录与分析】

实验现象如图2.3-14所示，用油性笔描出水流的轨迹，选取其中的某些点，测出它们的坐标，利用公式 ，可求出水流的初速度。

【问题与讨论】

1、怎样判断喷嘴是水平的？

答：将白纸用图钉固定在木板上，过点O用沿垂线确定竖直线，再用直尺画出喷嘴的延长线，若此延长线和竖直线垂直，则说明斜槽末端是水平的。

2、为什么要装进气管？

答：进气管使瓶内液体与大气压相连，使瓶内气压与大气压一致，从而保证水流的轨迹稳定不变。

3、为了使水流更加稳定，对实验器材有什么要求？

答：为了使水流更加稳定，使平抛运动的轨迹更加清晰，要求玻璃瓶直径要大一些，这样瓶内液体高度下降的速度比较慢，瓶内液体的压强比较慢，以保证水流出时的速度稳定。

【实验拓展与改进】

1、影响实验的关键因素：两根细管。

“用小水流显示平抛运动轨迹”是高中物理必修2模块中向学生推荐的“探究平抛运动的规定”分组实验的方法之一。它选材简单，可操作性强，只有在装有水且开口朝下的瓶口塞进直立与有直角弯头廉洁的细小喷嘴的两根管子，就有细水流水平射出，显示出平抛运动的轨迹。在整个实验装置（如图2.3-15）中，这两根细管扮演了举足轻重的角色。

（1）细管的重要性。

无疑，带有直角弯头有细小喷嘴的管子是用来喷水的，缺少它，水无法水平喷出。而在瓶中直立的管子，其作用有二：一是保持从喷嘴射出水流的速度，使其不随瓶内水面的下降而减小；二是有了它，弯弯中有水流出才成为可能，除非弯管细喷嘴的内径大于11.76mm。试想：取消直立管，弯管上口B处的向下压强 一定能大于大气压吗？没压力差何来水流？

（2）管子的粗细要求。

每根管子的内直径只要不大于11.76mm（通过多次实验取得的数据），插入到倒立的瓶中的水时，水就不会从管中流出。而喷嘴的内直径可以很细，小于0.9mm的口服液吸管或注射器针头均可。若其内直径过小，虽能使水流变细，可显著延长平抛时间，但用来演示则会降低可见度。

（3）管子插入到水中的深度。

①直立管子在开口朝下的瓶中水里的深度，即管口A处的位置，既不能再弯管口B处的下方，否则，水将从直立管向下竖直抛射（因此时A处向下的压强大于向上的压强，压力差使水流射出）；也不能与B同处一个水平面上，否则无水流出。只能使A处在B处的上方，方能确保水流从喷嘴流出，而且是以恒定的速度流出。而弯管口B瓶离口近些，可使瓶内的水多流出一些。

②直立管口A处与弯管口B处的高度差△h，根据伯努利方程可得出小孔泄流速度公式 ，可以看出，只要△h一定，u就不变，成为恒流，改变△h可改变u。因此，若要求水流的缓慢些，可以向下抽回些直立管；若希望水流得急促些，可以把直立管向水里再推入点。

③直立管口A处到水面C的距离AC，决定了水平喷出稳定流速水柱的时间长短。AC越大，即A处据水面越远，则水流稳定喷出的时间越长，反之越短。当水面处在A以下，水流速度则会有变化，水面处在B处时，喷嘴中无水流出。

2、用磁性书写板可以呈现小球做平抛运动的轨迹。

本实验有别于以往研究平抛运动的实验，即通过读出轨迹中一系列点的坐标，再通过描点画线将平抛运动的轨迹画出来，而是试验中利用水流的连续性将平抛运动的轨迹长时间地呈现出来。使用小球同样能将其运动的轨迹呈现出来，只不过这时候要借用我们小时候玩过的玩具：磁性书写板。

实验器材：塑料板、磁性写书板、斜槽、小球。

实验操作：将小球从斜槽最顶端滚下，小球抛出后在磁性书写板上留下了其运动轨迹，如图2.3-16所示。将事先画有坐标的透明胶片贴着磁性书写板，将轨迹描写出来，取一系列点，读出其坐标，则可求出小球的初速度。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c387492e8bd63186bdebbc2b.html