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高中物理 勻變速直線運動的研究——自由落體運動

2023-05-30 23:30 作者:南宮很二  | 我要投稿

先來看一下課本的思考題

圖片截取自人教版《高中物理》

第一個問題,站在高層建筑上,讓輕重不同的兩個物體從同一高度同時落下,你認(rèn)為哪個物體下落得快?

有些人根據(jù)經(jīng)驗一定會認(rèn)為重的物體下落得快,輕的物體下落得慢。

第二個問題,在教室內(nèi)拿兩張同樣大小的紙,將其中一張揉成一個團(tuán),讓紙團(tuán)和另一張紙在同樣的高度落下,看看哪個下落的快?

這次兩個物體的質(zhì)量是一樣的,但是形狀不一樣,自己做一下這個實驗,會發(fā)現(xiàn)紙團(tuán)下落的更快。

結(jié)合實驗和生活中的經(jīng)驗,我們猜測質(zhì)量,形狀,空氣阻力可能是影響物體下落快慢的原因。

其實在兩千多年前,古希臘學(xué)者亞里士多德就根據(jù)日常的觀察給出一個結(jié)論,重的物體比輕的物體下落得快。因為這個結(jié)論很符合常識,所以兩千多年間沒有人懷疑過。

直到現(xiàn)代科學(xué)實驗方法的奠基人——伽利略提出質(zhì)疑后,才打破了這個錯誤的說法。(關(guān)于比薩斜塔的實驗是不是伽利略本人做的或者這個實驗的真實性不得而知,缺少歷史資料,比薩斜塔實驗作為一種思想實驗,其影響和意義超過了其是否真實進(jìn)行的爭議。它體現(xiàn)了伽利略科學(xué)思維的先進(jìn)性,也推動了科學(xué)知識的積累,在力學(xué)理論形成史上具有里程碑的意義。)

那么質(zhì)量不同的物體從相同高度下落的情況到底是怎樣的?我們來看一下紀(jì)錄片中的片段,在世界上最大的真空實驗室里,用羽毛和保齡球進(jìn)行的自由落體實驗。

由實驗可以看到,將空氣抽出去后,沒有了空氣阻力的影響,羽毛和保齡球下落得同樣快。在現(xiàn)實生活中人們之所以看到物體下落的快慢不同,是因為空氣阻力的影響。如果沒有空氣阻力,所有物體下落的快慢都一樣。

物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫作自由落體運動(free-fall motion)。這種運動只在真空中才能發(fā)生。在有空氣的空間,如果空氣阻力的作用比較小,可以忽略,物體的下落可以近似看作自由落體運動。

一般我們見到物體從高處下落就是落體運動,而自由落體運動就是物體從靜止開始,即初速度為0開始下落,除此之外,在下落過程中只有重力而沒有其他力的作用,簡單講就是只受重力。

比如一個鐵球和一張紙從同一高度同時靜止下落,鐵球會很快落地,而這張紙會慢慢飄落下來,這是因為它們在空氣中運動,受到了空氣阻力,鐵球受到的空氣阻力非常小,可以近似地看作自由落體運動;而紙片則不能,假如將這張紙揉成一個紙團(tuán),從同樣的高度靜止釋放,那運動狀態(tài)就不一樣了,這就說明空氣阻力的影響是很大的,不能忽略,所以一張紙的下落不是自由落體運動。

注意:在高中階段,如果一個物體從高處干凈利落的掉在地上,可以看做自由落體運動;如果是慢慢落下來,就不是自由落體運動。當(dāng)然在更多的時候題目會說明不計空氣阻力,這時候可以直接看做自由落體運動。

再來看一下自由落體運動的規(guī)律。首先自由落體運動是一個直線運動,而且下落的速度越來越快,所以是一個加速直線運動,通過《研究自由落體運動的規(guī)律》的實驗可以得到結(jié)論,自由落體運動是一個勻加速直線運動,這個運動的初速度v_%7B0%7D%20,加速度大小通過實驗可以計算,大概是a%3D9.8m%2Fs%5E2,這個加速度叫做自由落體加速度,也叫做重力加速度,用g來表示,自由落體加速度是一個矢量,方向是豎直向下的。

所以自由落體運動的規(guī)律是:自由落體運動是一個初速度為零的勻變速直線運動,加速度是自由落體加速度g,方向豎直向下。

重力加速度是一個非常重要的物理量,精確的實驗發(fā)現(xiàn),在地球表面不同的地方,g的大小一般是不同的。

截取自人教版《高中物理》

從表格中可以觀察到,兩極的重力加速度最大,赤道處的重力加速度最小,緯度越高,重力加速度的值就越大。除了緯度,高度對重力加速度的值也有影響,比如在同一緯度上,高度越高的地方重力加速度的值也就越小。世界各地的重力加速度g的值不同,在計算時通常取g%3D9.8m%2Fs%5E2,如果是粗略計算取g%3D10m%2Fs%5E2。

總結(jié)

初速度為零,只受重力的運動叫做自由落體運動;做自由落體運動的物體下落的快慢與質(zhì)量無關(guān);物體自由下落做的是初速度為零,加速度為重力加速度g的勻變速直線運動,方向豎直向下;g通常取9.8m%2Fs%5E2,粗略計算時取10m%2Fs%5E2。


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