高中物理 勻變速直線運動的研究——第四節(jié)課后習題講解

1. 把一張紙片和一塊橡皮同時釋放下落,哪個落得快?再把紙片捏成一個很緊的小紙團,和橡皮同時釋放,下落快慢有什么變化?怎樣解釋這個現象?
答:把一張紙片和一塊橡皮同時釋放下落,橡皮落得快;再把紙片捏成一個很緊的小紙團,和橡皮同時釋放,兩者幾乎同時落下;這是因為紙片的面積大在下落的過程中受到的空氣阻力大,而捏成很緊的紙團后空氣阻力變小,下落速度就變快了。

2. 跳水運動員訓練時從5 m跳臺雙腳朝下自由落下,某同學利用手機的連拍功能,連拍了多張照片。測得其中兩張連續(xù)的照片中運動員雙腳離水面的高度分別為3.4 m和1.8 m。由此估算手機連拍時間間隔是多少?
分析:題目中說跳水運動員是自由下落,所以本題可以看成自由落體運動。跳臺高度為5m,其中兩張照片中運動員距離水面的高度知道,這樣可以計算出兩張照片中運動員自由落體的位移,自由落體加速度已知,利用公式即可求出兩個位置所用時間,作差就是時間間隔。
答:由題意可知,運動員做自由落體運動,水面距跳臺的高度,第一張照片運動員距跳臺的高度
,所用時間為
;第二張照片運動員距跳臺的高度
,所用時間為
;
由公式得
,
,那么拍攝兩張照片所用的時間
。
手機連拍的時間間隔為0.24s。
注意:本題沒有明確說重力加速度的取值,為了計算的精確性,建議選。

3. 為了測出井口到水面的距離,讓一個小石塊從井口自由落下,經過2.5 s后聽到石塊擊水的聲音,估算井口到水面的距離??紤]到聲音在空氣中傳播需要一定的時間,估算結果偏大還是偏???
答:小石塊自由下落時間為,擊打到水面發(fā)出聲音,聲音再傳播回來所用時間為
,根據題意
,井口到水面的距離由公式
得
;而小石塊自由下落的時間比2.5s要短,所以實際距離要比30.625m小,也就是估算結果偏大。
注意:在解決實際問題的時候,為了結果的精確性,重力加速度的取值最好取。

4. 有一架照相機,其光圈(進光孔徑)隨被攝物體的亮度自動調節(jié),而快門(曝光時間)是固定不變的。為估測這架照相機的曝光時間,實驗者從某磚墻前的高處使一個石子自由落下,拍攝石子在空中的照片如圖所示。由于石子的運動,它在照片上留下了一條模糊的徑跡。已知石子從地面以上2.5 m的高度下落,每塊磚的平均厚度為6 cm,請估算這張照片的曝光時間。

分析:照片中的白色軌跡為石子在曝光時的位移,將軌跡的首尾放在自由落體運動的過程中,實際就是石子從高處自由下落到這段軌跡的兩段位移之差。磚墻的高度已知,從圖中數出磚塊的數量,用總高度減去距離地面的高度就是兩段位移,然后利用位移公式求出時間,作差就是快門的時間。
答:石子距離地面的高度,每塊磚的高度
,結合圖片信息,石子距離地面9塊磚時的高度
,所用時間
;
石子距離地面7塊磚時的高度,所用時間
;
所以快門的時間為。

5. 頻閃攝影是研究變速運動常用的實驗手段。在暗室中,照相機的快門處于常開狀態(tài),頻閃儀每隔一定時間發(fā)出一次短暫的強烈閃光,照亮運動的物體,于是膠片上記錄了物體在幾個閃光時刻的位置。圖中是小球自由下落時的頻閃照片示意圖,頻閃儀每隔0.04 s閃光一次。如果要通過這幅照片測量自由落體的加速度,可以采用哪幾種方法?試一試。照片中的數字是小球落下的距離,單位是厘米。

答:方法一:自由落體運動本質是初速度為零的勻變速直線運動,可以直接使用推論一,勻變速直線運動的物體在通過連續(xù)相等時間的位移之差是一個定值,即。圖中
,所以
,兩段位移差
,根據推論一有
,
;
再計算下一段,位移差
,根據推論一有
,
;
同理;
求平均值。
方法二:使用自由落體的位移公式進行計算,
;
;
同理,
;
求平均值。
方法三:使用逐差法。計算出每個打點周期通過的位移,
,
。
使用逐差法
注意:本題還可以算出每點的瞬時速度,畫出v-t圖像,求出斜率,斜率即是重力加速度。

6. 制作一把“人的反應時間測量尺”。如圖甲,A同學用兩個手指捏住直尺的頂端,B同學用一只手在直尺0刻度位置做捏住直尺的準備,但手不碰到直尺。在A同學放開手指讓直尺下落時,B同學立刻捏住直尺。讀出B同學捏住直尺的刻度,就是直尺下落的高度,根據自由落體運動公式算出直尺下落的時間,就是B同學的反應時間。
利用這種方法,你能不能把下面刻度尺的長度刻度,直接標注為時間刻度,使它變?yōu)椤叭说姆磻獣r間測量尺”?請嘗試在圖乙的長度刻度旁標注時間刻度。

答:刻度尺的零刻線在下方,上面的同學松手時刻度尺做自由落體運動,下面的同學捏住刻度尺的位置就是自由落體運動的位移,利用公式即可求出反應時間,
,帶入相應得刻度值,可得出時間,然后將計算出來的時間標注在對應的刻度旁邊。(圖略)
注意:時間刻度標注的時候,越靠下越小,代表反應時間越短;刻度尺下落的距離和時間的平方成正比,所以時間刻度是不均勻的,越往上越稀疏。