2019-2020版新教材高中物理 第二章 第4节 自由落体运动课件 新人教版必修第一册

第4节自由落体运动核心素养物理观念科学思维科学探究科学态度与责任1.知道自由落体运动的条件。2.知道自由落体加速度的大小和方向。1.通过自由落体运动模型的建构，体会伽利略对自由落体运动的研究方法，领悟伽利略的科学思想。2.掌握自由落体运动的规律，并能解决相关实际问题。1.通过实验测量自由落体加速度的大小。2.利用自由落体运动规律测量人的反应时间。培养实事求是的态度，增强运动规律服务生产生活的意识。知识点一自由落体运动[观图助学]1.定义：物体只在作用下从开始下落的运动。2.特点（1）运动性质：初速度等于的匀加速直线运动。（2）受力特点：只受重力作用。不受其他力在实际中物体下落时由于受空气阻力的作用，物体并不是做自由落体运动，在有空气的空间，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，物体的下落可以近似看作自由落体运动。[思考判断]（1）物体从静止下落的运动是自由落体运动。（）（2）只在重力作用下的运动是自由落体运动。（）（3）空气中从静止释放的铁球的运动可以看作自由落体运动。（）重力静止××√零知识点二自由落体加速度[观图助学]同一地点重力加速度g的大小是相同的，在地球的不同地方，g的值略有不同。如果没有特别说明一般按9.8m/s2计算。1.定义：在同一地点，一切物体自由下落的加速度都。这个加速度叫作自由落体加速度，也叫作重力加速度，通常用g表示。2.方向：竖直向下。3.大小（1）一般g＝9.8m/s2，粗略计算g＝10m/s2。（2）g值随纬度升高而增大，随高度升高而减小。[思考判断]（1）重力加速度的方向总是垂直向下的。（）（2）赤道上的重力加速度比两极点的大。（）（3）重力加速度的大小与物体的质量无关。（）相同××√知识点三自由落体运动规律自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动，把v0＝0和a＝g代入匀变速直线运动的公式可得（1）速度公式：v＝_____________（2）位移公式：x＝_____________（3）速度—位移公式：v2＝_____________gt12gt22gx自由落体运动如图所示，在有空气的玻璃管中，金属片比羽毛下落得快，在抽掉空气的玻璃管中，金属片和羽毛下落快慢相同。（1）为什么物体下落快慢相同？（2）空气中的落体运动在什么条件下可看作自由落体运动？答案（1）因为没有空气阻力（2）空气的阻力作用可以忽略[观察探究]核心要点[探究归纳]1.自由落体运动是一种理想模型忽略次要因素：空气阻力；突出主要因素：重力当自由下落的物体所受的空气阻力远小于重力时，物体的运动才可以视为自由落体运动。如空气中石块的下落可以看作自由落体运动，空气中羽毛的下落不能看作自由落体运动。2.物体做自由落体运动的条件（1）初速度为零；（2）只受重力。3.运动特点：初速度为零，加速度为重力加速度g的匀加速直线运动。是匀变速直线运动的特例。特别提醒物体在其他星球上也可以做自由落体运动，但下落的加速度与在地球表面下落的加速度不同。[试题案例][例1]关于自由落体运动，下列说法中正确的是（）A.质量大的物体自由下落时的加速度大B.从水平飞行的飞机上释放的物体将做自由落体运动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，可以近似看成自由落体运动解析所有物体在同一地点的重力加速度相等，与物体质量大小无关，选项A错误；从水平飞行的飞机上释放的物体，具有水平初速度，不是自由落体运动，选项B错误；雨滴下落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，选项C错误；从水龙头上滴落的水滴所受的空气阻力与重力相比可忽略不计，可认为只受重力作用，选项D正确。答案D关键点拨（1）能否看成自由落体运动关键是考虑重力和阻力大小的关系。落体运动与自由落体运动的关系（2）若下落的初速度不为0或下落加速度不为g，那么下落的运动就不是自由落体运动。[针对训练1]某同学在探究自由落体运动规律时，从生活情景中选出处于不同状态的四种物体进行探究，你认为哪一个选项中的物体所做的运动是自由落体运动（）A.从树上飘落的树叶的运动B.由静止开始下落的小钢球的运动C.被运动员推出去的铅球的运动D.从水面自由落到水底的石子的运动解析从树上飘落的树叶，阻力不是远小于重力，选项A错误；由静止下落的钢球，由于初速度为0，GF阻，故可以看成自由落体运动，故选项B正确；被推出去的铅球，由于初速度v0≠0，故选项C错误；从水面自由落到水底的石子，由于F阻不是远小于重力，故选项D错误。答案B自由落体加速度（1）如图所示，这两名跳伞运动选手有不同的体重，自由下落加速度的大小与他们的质量有关吗？（2）在地球上的不同位置，自由落体的加速度一定相同吗？同一物体在月球和地球上做自由落体运动时加速度相同吗？答案（1）自由下落加速度的大小与他们的质量无关系。（2）在地球上的不同位置，自由落体的加速度一般不相同；同一物体在月球和地球上自由落体的加速度也不相同。[观察探究]核心要点[探究归纳]1.对自由落体加速度的理解（1）产生原因：地球上的物体受到地球的吸引力而产生的。（2）大小：与在地球上的纬度以及距地面的高度有关。与纬度的关系在地球表面上，重力加速度随纬度的增加而增大，即赤道处重力加速度最小，两极处重力加速度最大，但差别很小与高度的关系在地面上的同一地点，重力加速度随高度的增加而减小。但在一定的高度内，可认为重力加速度的大小不变2.测定重力加速度的方法（1）实验设计利用频闪照片，或利用打点计时器能够把做自由落体运动的物体的位置和相应的时刻记录下来。根据对匀变速直线运动的研究，测量物体下落的加速度，进而研究自由落体运动是否是匀加速直线运动，以证实猜想。（2）实验方法①打点计时器法a.实验装置如图所示。打点计时器固定在铁架台上，纸带一端系着重物，另一端穿过计时器。用手捏住纸带上端，启动计时器，松开手后重物自由下落，计时器在纸带上留下一串小点。改变重物的质量，重复上面的实验。b.对纸带上计数点间的距离x进行测量，利用g＝xn－xn－1T2求出重力加速度。注意（1）注意操作的先后顺序。（2）纸带选取：选点迹清晰，且1、2两点间距离接近2mm的纸带进行分析探究。②频闪照相法频闪照相机可以每间隔相等的时间拍摄一次，利用频闪照相机可追踪记录做自由落体运动的物体的位置，根据Δx是否为恒量，可判断自由落体运动是否为匀变速直线运动。根据匀变速直线运动的推论Δx＝aT2可求出重力加速度g＝ΔxT2。由g＝v－v0t也可求出重力加速度g。③滴水法a.如图所示，让水滴自水龙头滴下，在水龙头正下方放一个盘，调节水龙头，让水一滴一滴地滴下，并调节使第一滴水碰到盘的瞬间，第二滴水正好从水龙头开始下落，并且能依次持续下去。b.用刻度尺测出水龙头距盘面的高度h。c.测出每滴水下落的时间T，其方法是：当听到某一滴水滴落在盘上的同时，开启停表开始计时，之后每落下一滴水依次计数1、2、3、…，当数到n时按下停表停止计时，则每一滴水下落的时间T＝tn。d.由h＝12gT2，得g＝2hT2＝2n2ht2。[试题案例][例2]下图中甲、乙两图都是使用电磁打点计时器测量重力加速度g的装置示意图，已知该打点计时器的打点频率为50Hz。（1）甲、乙两图相比较，图所示的装置更合理。（2）自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，所以v16＝x17－x152T≈2.93m/s，又根据v2＝2gx，可得g≈9.78m/s2。（2）丙图是采用较合理的装置并按正确的实验步骤进行实验打出的一条纸带，其中打出的第一个点标为1，后面依次打下的一系列点迹分别标为2、3、4、5…经测量，第15至第17点间的距离为11.70cm第1至第16点间距离为43.88cm，则打下第16个点时，重锤下落的速度大小为m/s，测出的重力加速度值为g＝m/s2。（要求保留3位有效数字）解析（1）甲图释放时更稳定，既能更有效地减小摩擦力，又能保证释放时初速度的大小为零，所以甲图更合理。答案（1）甲（2）2.939.78（±0.02均可）方法凝炼利用纸带计算重力加速度的方法（1）计算出纸带上一个点或几个点的速度，根据匀变速直线运动的公式求加速度。（2）计算出纸带上各点的速度，画出v－t图像，由图像的斜率可求得重物下落的加速度即重力加速度。（3）根据Δx＝gT2用逐差法求加速度。[针对训练2]如图所示，在频闪照相中得到的一张真空中羽毛与苹果自由下落的局部频闪照片。已知频闪仪每隔时间t闪光一次。关于提供的信息及相关数据处理，下列说法正确的是（）A.一定满足关系x1∶x2∶x3＝1∶4∶9B.一定满足关系x1∶x2∶x3＝1∶3∶5C.羽毛下落的加速度大小为2x2t2D.苹果下落的加速度大小为x3－x2t2解析虽然羽毛与苹果做自由落体运动，但不知道开始下落的位置，所以不能直接用匀变速直线运动的比例关系，A、B错误；由Δx＝aT2，得a＝x3－x2t2，C错误，D正确。答案D[要点归纳]1.四个基本公式下面对匀变速直线运动的相关公式和自由落体运动的相关公式进行对比。匀变速直线运动自由落体运动速度v＝v0＋atv＝gt位移x＝v0t＋12at2x＝12gt2速度—位移公式v2－v20＝2axv2＝2gx平均速度v－＝v0＋v2＝vt2v－＝v2＝vt2自由落体运动的规律及应用核心要点2.v－t图像自由落体运动的v－t图像是一条的过原点v0＝0倾斜直线，斜率表示重力加速度g。匀加速运动速度与时间成正比[试题案例][例3]如图所示，悬挂的直杆AB长为a，在B端以下h处有一长为b的无底圆柱筒CD，若将悬线剪断，问：（1）直杆下端B穿过圆柱筒的时间是多少？（2）整个直杆AB穿过圆柱筒的时间是多少？思路探究解析（1）直杆下端B穿过圆柱筒，即从B下落到C点（自由下落h）起到B下落到D点（自由下落h＋b）止。由x＝12gt2得t＝2xg。则直杆下端B穿过圆柱筒的时间是则B下落到C点所需时间为t1＝2hg，B下落到D点所需时间t2＝2（h＋b）g。Δt1＝t2－t1＝2（h＋b）g－2hg。（2）整个直杆AB穿过圆柱筒，从B下落到C点（自由下落h）起到A下落到D点（自由下落h＋a＋b）止。则整个直杆AB穿过圆柱筒的时间Δt3＝t3－t1＝2（a＋h＋b）g－2hgA下落到D点所需时间t3＝2（a＋h＋b）g。答案（1）2（h＋b）g－2hg（2）2（a＋h＋b）g－2hg[针对训练3]近年来多次发生高空坠物造成人员伤亡的事件，于是就有人做了一个实验：在高为80m的楼房阳台上，自由释放一颗质量为50g的石子，计算：（空气阻力不计，g取10m/s2）（1）石子经过多少时间落到地面？（2）石子落地的速度是多大？（3）石子最后1s内运动的位移大小？解析（1）石子做自由落体运动有得石子下落的时间h＝12gt2t＝2hg＝4s。（2）落地时的速度大小v＝gt＝40m/s。（3）石子最后1s前的运动时间t1＝t－1s＝3s石子最后1s内运动的位移大小x＝h－12gt21＝80m－12×10×32m＝35m。答案（1）4s（2）40m/s（3）35m科学探究——利用自由落体运动规律测量人的反应时间两位同学合作，用刻度尺可测人的反应时间：如图甲所示，男同学捏住尺的上端，女同学在尺的下部做握尺的准备（但不与尺接触），当看到男同学放开手时，女同学立即握住尺，若女同学做握尺准备时手指位置和握住尺的位置如图乙所示，通过直尺上的刻度，可计算女同学的反应时间。（g取10m/s2）[针对训练]甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间。实验步骤如下：（1）甲用两个手指轻轻捏住量程为L的木尺上端，让木尺自然下垂。乙把手放在尺的下端（位置恰好处于L刻度处，但未碰到尺），准备用手指夹住下落的尺。（2）甲在不通知乙的情况下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子。若夹住尺子的位置刻度为L1，重力加速度大小为g，则乙的反应时间为（用L、L1和g表示）。（3）已知当地的重力加速度大小为g＝9.80m/s2，L＝30.0cm，L1＝10.4cm。