2019-2020学年高中物理 第2章 5 自由落体运动 6 伽利略对自由落体运动的研究课件 新人教

第二章匀变速直线运动的研究5自由落体运动6伽利略对自由落体运动的研究[学习目标]1.知道物体做自由落体运动的条件.2.通过实验探究自由落体运动加速度的特点，建立重力加速度的概念．知道重力加速度的大小、方向．(重点)3.掌握自由落体运动的规律，并能解决相关实际问题．(难点)4.了解伽利略对自由落体运动的研究方法，领会伽利略的科学思想．自主探新知预习一、自由落体运动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：只受作用．重力重力静止零(3)物体下落可看作自由落体运动的条件：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，只有当空气阻力比重力小得多，可以忽略时，物体的下落才可当作________运动来处理．自由落体二、自由落体的加速度1．定义：在同一地点，一切物体自由下落的加速度都______．这个加速度叫自由落体加速度，也叫重力加速度，通常用g表示．2．方向：．竖直向下相同3．大小(1)在地球上的同一地点：一切物体自由下落的加速度都．(2)在地球上不同的地点，g的大小一般是(A.相同B．不同)的，g值随纬度的增大而逐渐．(3)一般取值：g＝或g＝.10m/s2相同B增大9.8m/s2三、伽利略对自由落体运动的研究1．问题发现亚里士多德观点：重物下落得，轻物下落得．矛盾：把重物和轻物捆在一起下落，会得出两种矛盾的结论．伽利略观点：重物与轻物下落得．一样快快慢2．猜想与假说伽利略猜想落体运动应该是一种最简单的运动，并指出这种运动的速度应该是变化的假说．3．理想斜面实验(1)如果速度随时间的变化是均匀的，初速度为零的匀变速直线运动的位移x与运动所用的时间t的平方成，即x∝t2.正比变速均匀(2)让小球从斜面上的不同位置由静止滚下，测出小球从不同起点滚动的位移x和所用的时间t.(3)斜面倾角一定时，判断x∝t2是否成立．(4)改变小球的质量，判断x∝t2是否成立．(5)将斜面倾角外推到θ＝90°情况——小球自由下落，认为小球仍会做_________运动，从而得到了自由落体运动的规律．匀加速4．伽利略研究自然规律的科学方法：把实验和逻辑推理(包括数学推演)和谐地结合起来．他给出了科学研究过程的基本要素：对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑得出推论→通过实验对推论进行检验→对假设进行修正和推广．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在空气中自由释放的物体做自由落体运动．()(2)物体在真空中一定做自由落体运动．()(3)自由释放的物体只在重力作用下一定做自由落体运动．()(4)在同一地点，轻重不同的物体自由落体加速度一样大．()(5)自由落体加速度的方向垂直于地面向下．()×××√√2．(多选)在忽略空气阻力的情况下，让石块和木块从同一高度同时从静止开始下落，下列说法中正确的是()A．重的石块先着地B．轻的木块先着地C．在着地前的任一时刻，二者具有相同的速度和位移D．二者在下落这段时间内的平均速度相等CD[在忽略空气阻力的情况下，只在重力作用下由静止释放的物体的运动可以看作自由落体运动，快慢程度与质量无关，运动情况是一样的，同时落地，初、末位置相同，位移相同，A、B错，C对；由平均速度的定义可知，D对．]3．下列哪位科学家首先采用了实验检验猜想和假设的科学方法，把实验和逻辑推理和谐地结合起来，从而有力地推动了人类科学的发展()A．亚里士多德B．伽利略C．牛顿D．爱因斯坦B[在物理学发展史上，伽利略把实验和逻辑推理和谐地结合起来，有力地推动了人类科学的发展．]合作攻重难探究自由落体运动及其加速度1.对自由落体运动的理解(1)自由落体运动的条件：①运动条件：初速度为零．②受力条件：除重力外不受其他力的作用．(2)自由落体运动是一种理想化模型．①这种模型忽略了次要因素——空气阻力，突出了主要因素——重力．实际中，物体下落时由于受空气阻力的作用，并不做自由落体运动．②当空气阻力远小于重力时，物体由静止开始的下落可看作自由落体运动．如在空气中石块的自由下落可看作自由落体运动，空气中羽毛的下落不能看作自由落体运动．(3)自由落体运动的图象：自由落体运动的v­t图象(如图所示)是一条过原点的倾斜直线，斜率k＝g.2．对自由落体加速度的理解(1)产生原因：由于地球上的物体受到地球的吸引而产生的．(2)方向特点：竖直向下，但不一定垂直地面向下，也不一定指向地心．(3)大小变化：自由落体加速度的大小与地球上的位置及距地面的高度有关．①在地球表面上，重力加速度随纬度的增加而增大，在赤道处重力加速度最小，在两极处重力加速度最大，但差别很小．②在地面上的同一地方，随高度的增加，重力加速度减小．③在一般的高度内(即高度h与地球半径相比可忽略时)，可认为重力加速度的大小不变．【例1】关于重力加速度的说法，正确的是()A．在比萨斜塔同时由静止释放一大一小两个金属球，二者同时着地，说明二者运动的加速度相同，这个加速度就是当地的重力加速度B．地球上各处的重力加速度g值都相同C．济南的重力加速度为9.8m/s2，说明在济南做下落运动的物体，每经过1s速度增加9.8m/sD．黑龙江和广州的重力加速度都竖直向下，两者的方向相同A[在比萨斜塔释放的金属球，受到的空气阻力远小于球的重力，可以认为金属球做自由落体运动，故球运动的加速度为当地重力加速度，所以二者的加速度相同，A正确；地球上各处的重力加速度的大小一般不同，方向也不同，故B、D错误；在济南下落的物体不一定做自由落体运动，其加速度也不一定等于重力加速度，故C错误．]对自由落体运动认识的两点提醒(1)物体在真空中下落的运动不一定是自由落体运动，因为初速度不一定为零．(2)物体在其他星球上也可以做自由落体运动，但同一物体在不同的星球上所受重力一般不同，所以物体下落时的加速度一般不同．1．关于自由落体运动，下列说法正确的是()A．质量大的物体自由下落时的加速度大B．雨滴下落的过程是自由落体运动C．在自由落体运动过程中，不同质量的物体运动规律相同D．从水平飞行着的飞机上释放的物体将做自由落体运动C[自由下落的物体的加速度相同都是重力加速度g；雨滴下落中的空气阻力不能忽略；从水平飞行着的飞机上释放的物体不是从静止开始下落即初速度不为零．]自由落体运动的规律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平均速度v＝v0＋v2＝vt2v＝v2＝vt2速度v＝v0＋atv＝gt位移x＝v0t＋12at2h＝12gt2速度—位移公式v2－v20＝2axv2＝2gh注意：自由落体运动的运动时间由下落的高度决定．自由落体运动中下落的位移与离地高度是两个不同的概念，运算取值时要注意区分．2．v-t图象：自由落体运动的v-t图象是一条过原点的倾斜直线，斜率表示重力加速度g.【例2】从离地面80m的空中自由落下一个小球，g取10m/s2，求：(1)经过多长时间落到地面；(2)自开始下落时计时，在第1s内和最后1s内的位移；(3)下落时间为总时间的一半时的位移．思路点拨：①小球做自由落体运动的高度为80m.②小球在最后1s内的位移是下落的总位移与前(t－1)s内的位移之差．[解析](1)由h＝12gt2得，下落总时间为t＝2hg＝2×8010s＝4s.(2)小球第1s内的位移为h1＝12gt21＝12×10×12m＝5m小球前3s内的位移为h3＝12gt23＝12×10×32m＝45m小球从第3s末到第4s末的位移，即最后1s内的位移为h4＝h－h3＝80m－45m＝35m.(3)小球下落时间的一半t′＝t2＝2s这段时间内的位移为h′＝12gt′2＝12×10×22m＝20m.[答案](1)4s(2)5m35m(3)20m自由落体运动的处理技巧(1)自由落体运动是匀变速直线运动的特例，分析匀变速直线运动的各种方法对于自由落体运动仍然适用．(2)自由落体运动的中间一段过程的分析方法．①自由落体运动法：从物体下落时开始研究，如求物体下落后第4s内的位移，可以用自由落体前4s的位移与前3s的位移的差求得．②匀加速直线运动法：如求物体下落后第4s内的位移，可以先根据v0＝gt1求出第4s内的初速度，再利用h＝v0t2＋12gt22求出相应的位移．③灵活选用匀变速直线运动的基本公式及其推论，可收到事半功倍的效果．2．研究发现，物体在火星上的落体规律与在地球上相似，若在火星表面上，做自由落体运动的物体在开始1.0s内下落x1＝4.0m．求：(1)火星表面的重力加速度g火是多大？(2)该物体从某高处由静止开始落下，第5s末时(未落到火星表面)的速度是多大？[解析](1)由x1＝12g火t21可得：g火＝2x1t21＝2×4.01.02m/s2＝8.0m/s2.(2)由v＝g火t可得物体由静止下落5s时的速度v＝8×5m/s＝40m/s.[答案](1)8.0m/s2(2)40m/s重力加速度的三种测量方法1．打点计时器法(1)按如图所示连接好实验装置，让重锤做自由落体运动，与重锤相连的纸带上便会被打点计时器打出一系列点迹．(2)对纸带上计数点间的距离h进行测量，利用hn－hn－1＝gT2求出重力加速度的大小．2．频闪照相法(1)频闪照相机可以间隔相等的时间拍摄一次，利用频闪照相机的这一特点可追踪记录做自由落体运动的物体在各个时刻的位置(如图所示)．(2)根据匀变速运动的推论Δh＝gT2可求出重力加速度g＝ΔhT2.也可以根据vt2＝v＝xt，求出物体在某两个时刻的速度，由g＝v－v0t，可求出重力加速度g.3．滴水法如图所示，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，并调节到使第一滴水碰到盘的瞬间，第二滴水正好从水龙头口开始下落，并且能依次持续下去．用刻度尺测出水龙头口距盘面的高度h，再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数1、2、3…，当数到n时按下停表停止计时，读出停表示数t，则每一滴水下落的时间为T＝tn，由h＝12gT2得g＝2hT2＝2n2ht2.由于h＝12gT2，则h∝T2.因此先画出h­T2图象，利用图线的斜率来求重力加速度更准确．【例3】用滴水法可以测定重力加速度的值．方法：在自来水龙头下面固定一块挡板A，使水一滴一滴连续地滴落到挡板上，如图所示，仔细调节水龙头，使得耳朵刚好听到前一滴水滴在挡板上的声音的同时，下一滴水刚好开始下落．首先量出水龙头口离挡板的高度h，再用停表计时，计时方法：当听到某一滴水滴在挡板上的声音的同时，开启停表开始计时，并数“1”，以后每听到一声水滴声，依次数“2,3…”，一直数到“n”时，按下停表按钮停止计时，读出停表的示数为t.(1)写出用上述所测量数据计算重力加速度g的表达式：________________.(2)为了减小误差，改变h的数值，测出多组数据，记录在表格中(表中t′是水滴从水龙头口到A板所用的时间，即水滴在空中运动的时间)，请在图所示的坐标纸上作出适当的图象，并利用图象求出重力加速度g的值：g＝________m/s2.(保留2位有效数字)次数高度h/cm空中运动时间t′/s120.100.20225.200.23332.430.26438.450.28544.000.30650.120.32思路点拨：①滴水的周期与记录的水滴声次数n的关系：t′＝tn－1.②水滴下落高度h与水滴下落时间t′的关系：h＝12gt′2.[解析](1)滴水的周期就是水滴下落的时间，所以t′＝tn－1，由h＝12gt′2得g＝2n－12ht2.(2)描点如图所示，求出斜率k＝ht′2＝12g，解得g＝9.8m/s2.[答案](1)g＝2n－12ht2(2)图见解析9.8根据实验求重力加速度的四种方法(1)利用相邻的、相等的时间间隔的位移差相等，且为一定值，即Δh＝gT2，则g＝ΔhT2.(2)可由位移公式h＝12gt2求得．利用刻度尺量出从初始位置到某点的位移