高一物理自由落体运动知识讲解

第1页共11页高一物理自由落体运动知识讲解【学习目标】1．理解自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，重点掌握其运动规律.2．知道自由落体运动加速度的大小和方向.知道地球上不同地方重力加速度大小的差异.3．理解用频闪摄影研究运动的基本原理，会根据照片分析自由落体运动.4.熟练运用自由落体运动规律解决简单问题.5.理解伽利略利用斜面研究自由落体运动所蕴含的思想方法.领会“提出假设、数学推理、实验检验和合理外推”的科学研究方法.【要点梳理】要点一、自由落体运动要点诠释：【高清课程：自由落体与竖直上抛运动00:02:58】1、自由落体运动的定义物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动叫做自由落体运动。2、自由落体运动的两个基本特征①初速度为零；②只受重力。3、自由落体运动的运动性质自由落体运动是初速度为零的竖直向下的匀加速直线运动。4、自由落体运动的加速度在同一地点，一切物体做自由落体运动的加速度都相同，这个加速度叫自由落体加速度，也叫做重力加速度。通常用符号“g”来表示。g的方向竖直向下，大小随不同地点而略有变化。尽管在不同地点加速度g值略有不同，但通常的计算中一般都取g=9.8m/s2，在粗略的计算中还可以取g=10m/s2。■要点二、自由落体运动的规律要点诠释：【高清课程：自由落体与竖直上抛运动00:04:30】1、自由落体运动的规律可以用以下四个公式来概括■2、以下几个比例式对自由落体运动也成立①物体在1T末、2T末、3T末……nT末的速度之比为v1：v2：v3：……：vn=1：2：3:……：n②物体在1T内、2T内、3T内……nT内的位移之比为h1：h2：h3：……：hn=1：4：9:……：n2③物体在第1T内、第2T内、第3T内……第nT内的位移之比为H1：H2：H3：……：Hn=1：3：5……(2n-1)④通过相邻的相等的位移所用时间之比为第2页共11页t1：t2：t3：……：tn=1：()：()：……：()要点三、伽利略对自由落体运动的研究1.伽利略的科学研究过程的基本要素为：对现象的一般观察、提出假设、运用逻辑（包括数学）得出结论、通过实验对推论进行检验、对假设进行修正和推广等.2.伽利略科学思想方法的核心是：把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐地结合起来.【典型例题】类型一、关于自由落体运动的特点的考查例1、关于自由落体运动，以下说法正确的是（）A、质量大的物体自由落体时的加速度大B、从水平飞行着的飞机上释放的物体将作自由落体C、雨滴下落的过程是自由落体运动D、从水龙头上滴落的水滴的下落过程，可近似看做自由落体运动【思路点拨】理解自由落体运动的定义。【答案】D【解析】所有物体在同一地点的加速度相等，与物体质量大小无关，故A错；从水平飞行着的飞机上释放的物体,由于惯性具有水平初速度，不是自由落体运动，故B错；雨滴下落的过程所受空气阻力与速度大小有关，速度增大时阻力增大，雨滴速度增大到一定值时,阻力与重力相比不可忽略，不能认为是自由落体运动，故C错；从水龙头上滴落的水滴在下落过程中所受阻力与重力相比可忽略不计，可认为只受重力作用，故D对.【点评】1.自由落体运动的两个基本特征①初速度为零；②只受重力.自由落体运动是在条件严格约束下的一种理想化的运动模型，这种运动只有在没有空气阻力的空间里才能发生.落体运动是自然界中很普遍的一种运动形式.任何一个物体在重力作用下下落时都会受到空气阻力的作用，从而使运动情况变得复杂.但是，如果空气阻力对所研究的问题的影响可以忽略不计，那么物体的下落运动就可以看做是自由落体运动.2.在同一地点，一切物体在自由落体运动中的加速度都相同.我们平时看到轻重不同、密度不同的物体下落时的快慢不同，加速度也不同，那是因为它们受到的阻力不同的缘故.举一反三【变式】（2015滕州三中期末考）关于自由落体运动，下列说法正确的是（）A．同一地点不同物体做自由落体运动时的加速度相同B．只要物体只受重力作用就一定做自由落体运动C．自由落体运动是匀加速直线运动D．在地球上同一地点，从同一高度做自由落体的物体，落地时间与物体的质量有关【答案】AC【解析】A、因为物体做自由落体运动的条件：①只在重力作用下②从静止开始．只在重力作用下保证了物体的加速度为g，则同一地点，加速度相同；从静止开始保证了物体初速度等于零．所以只受重力作用不一定是做自由落体，故A正确，B错误．C、自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，故C正确．D、从同一高度做自由落体运动的不同物体，保证了物体的加速度为g；从静止开始保证了物体初速度等于零，下落的快慢相同，与质量无关，故D错误．第3页共11页例2、有一物体自44.1米高空从静止开始竖直匀加速落下，经4秒钟到达地面，求：此物体到达地面时的瞬时速度.【思路点拨】熟悉自由落体运动的基本公式。【答案】22.0m/s【解析】题目中只是说物体从静止开始竖直匀加速落下，那么此物体的运动是否为“自由落体运动”呢？这就需要我们进行判断.我们可以运用自由落体运动的位移公式先算一算自44.1米高空下落到地面所需的时间：212hgt2244.139.8htssg由此可知：如果此物体做“自由落体运动”，只需要3秒钟就可到达地面．但是题目中的已知条件告诉我们需要4秒钟才能落到地面，可见此物体不做自由落体运动．既然此物体不做自由落体运动，它在运动过程中的加速度也不是重力加速度．那么加速度是多少呢？此物体虽然不是“自由落体运动”，但仍是初速为零的匀加速直线运动，可用下式解题：hat21222222244.1/5.51/4hamsmst然后再根据v=at可求出v：v=at=5.51×4m/s=22.04m/s取三位有效数字，此物体到达地面时的瞬时速度为22.0m/s.【点评】应用公式计算问题时，一定要分析物体的运动特点，不可滥套公式，要注意公式的适应条件.类型二、对自由落体运动规律的考查例3、从离地500m的空中自由落下一个小球，取g=10m/s2，求：（1）小球经过多少时间落到地面；（2）从开始落下的时刻起，小球在第1s内的位移、最后1s内的位移；（3）小球落下一半时间的位移.【思路点拨】熟悉自由落体运动的基本规律。【答案】10s5m95m125m【解析】由h=500m和运动时间，根据位移公式可直接算出落地时间、第1s内位移和落下一半时间的位移.最后1s内的位移是下落总位移和前（n-1）s下落位移之差.解法一：（1）由公式：h=21gt2，得落地时间：225001010htssg（2）第1s内的位移：h1=21gt12=21×10×12m=5m第4页共11页因为从开始运动起前9s内的位移为：h2=21gt22=21×10×92m=405m所以最后1s内的位移为：h10=h-h9=500m-405m=95m（3）落下一半时间即t'=5s，其位移为：h5=21×10×52m=125m解法二：根据初速为零的匀加速直线运动位移的特点，由第1s内的位移h1=5m，可直接用比例关系求出最后1s内的位移，即h1:h10=1:19∴h10=19h1=19×5m=95m同时，若把下落全程的时间分成相等的两段，则：ht/2:ht=12:22=1:41121150012544hhmm【点评】熟练应用匀变速直线运动的几个推论可使解题简便得多.举一反三【变式1】从某一高塔自由落下一石子，落地前最后一秒下落的高度为塔高的7/16，求塔高.【答案】80m【解析】解法一：画出石子的运动草图.设石子下落的总时间为t，塔高为H，则下落距离为塔高的9/16时经过时间（t-1），根据自由落体运动的位移公式有：H=21gt2……①2)1(21169tgH……②解①、②两式得：t=4sH=80m解法二：设石子落地前最后一秒的初速度为V，则落体瞬间的速度为V+g根据推论：Vt2-V02=2ax有：(V+g)2-V2=2g167H……①(V+g)2=2gH……②解①、②得：V=30m/s，H=80m解法三：画出物体做自由落体运动的图象，如图所示：第5页共11页三角形OMN的面积表示石子在前t-1秒内下降的高度，大三角形的面积表示塔高.根据面积比等于相似比的平方，应有：22)1(167ttHHH得t=4s再根据：H=21gt2得：H=80m.【变式2】某人估测一竖直枯井深度，从井口静止释放一石头并开始计时，经2s听到石头落地声，由此可知井深约为（不计声音传播时间，重力加速度g取10m/s2）A.10mB.20mC.30mD.40m【答案】Ｂ类型三、“落尺”类问题例4、（2016江西师大附中月考）如下图所示，离地面足够高处有一竖直的空心管，质量为2kg，管长为24m，M、N为空心管的上、下两端，空心管受到大小为16N的竖直向上的拉力作用，由静止开始竖直向下做匀加速运动，同时在M处有一个大小不计的小球沿管的轴线做竖直上抛运动，取g=10m／s2。若小球上抛的初速度为10m／s，试问：（1）经过多少秒小球从管的N端穿出。（2）若此空心管的N端距离地面高为64m，欲使在空心管到达地面时小球刚好进入管内，在其他条件不变的前提下，则小球初速度大小应为多大？【解析】解法一：（1）对管，根据牛顿第二定律：22m/sGFam根据运动学公式：212hat对小球，以向上为正，根据位移公式，有201(hL)2vtgt解得：t=4s（2）对管，根据运动学公式：212hat，解得管下落到地面所用时间为t=8s对小球，以向上为正，根据位移时间公式：212Hvtgt，HhL解得：解得v=32m／s解法二：（1）取空心管为参考系，根据相对运动的思想，28m/sGFagm相对，方向向下，第6页共11页相对初速度v=10m／s，方向向上，则212Lvtat相对，解得穿出的时间t=4s。（2）取地面为参考系，有21',2GFHatam，解得t＇=8s，取空心管为参考系，210''2vtat相对，解得v=32m／s。【总结升华】本题关键要将小球的整个过程看成匀变速直线运动，如果分段考虑，将使问题复杂化。举一反三【变式１】如图所示，一根长为L的直杆由A点静止释放，问它经过距A点为h的高为△h的窗户BC的时间△t.【答案】【解析】画出情景图,由图可知第7页共11页【变式２】如图所示，长度为5m的铁链，上端悬挂在O点.若从O点放开铁链，让其自由下落，求铁链通过O点下方25m的A点所用的时间.（g取）【答案】0.2s【解析】铁链通过O点下方25m处的A点所用时间是指从铁链的下端到达A点至铁链上端到达A点这个过程所用的时间，铁链从开始自由下落至下端到达A点，通过的位移为：同理，得铁链通过A点所用的时间为：类型四、滴水法测定重力加速度类问题例5、滴水法测重力加速度的过程是这样的：让水龙头的水一滴一滴地滴在其正下方的盘子里，调整水龙头，使我们听到前一滴水滴到盘子上的声音时，后一滴水恰好离开水龙头，测出听到n次水击盘的总时间t，用刻度尺量出水龙头到盘子的高度h，即可算出重力加速度.（1）设人耳能区别两个声音的时间间隔为0.1s，声速为340m/s，为能区别出水滴击盘的声音，甲同学认为水龙头距人耳的距离至少应达34m远，乙同学认为水龙头距盘子距离至少应达34m远.你认为他们的看法对吗？（2）请推导出用此滴水法测定重力加速度的计算式.【思路点拨】水滴做自由落体运动，按自由落体运动规律分析。【解析】（1）按实验要求，使我们听到前一滴水滴到盘子上的声音时，后一滴水恰好离开水龙头，若忽略声音传播的时间，则相邻两次滴水声间隔的时间即为水滴下落的时间.由此可见，人耳应靠近声源，即靠近盘子，由，而0.1s，所以=4.9cm，即水龙头距盘子的距离至少应达4.9cm，两位同学的看法都是不正确的.第8页共11页（2）由于听到n次水击盘声的总时间为t，则相邻两次滴水声间的时间间隔△t=t/(n－1).由，可得，这就是用滴水法测定重力加速度的计算式.【点评】用这一方法测定的重力加速度数值是近似的，但实验方法比较巧妙而且简单.举一反三【变式