
理解領(lǐng)悟
對(duì)于落體運(yùn)動(dòng),自古以來許多人都研究過。本節(jié)課介紹落體運(yùn)動(dòng)的研究歷史,主要是介紹伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程和他的科學(xué)思維方法。要通過自主學(xué)習(xí),獨(dú)立的思考、歸納和總結(jié),提出自己的看法與體會(huì)。
另外,作為勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用,我們補(bǔ)充介紹了豎直上拋運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)。這部分內(nèi)容教材沒有涉及,屬于“提高級(jí)”知識(shí),供學(xué)有余力的同學(xué)參考。
基礎(chǔ)級(jí)
延續(xù)了兩千年的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)
古希臘的學(xué)者們認(rèn)為,物體下落的快慢是由它們的重量決定的,物體越重,下落得越快。生活在公元前四世紀(jì)的古希臘哲學(xué)家亞里士多德最早闡述了這種看法,他認(rèn)為,物體下落的快慢精確地與它們的重量成正比。亞里士多德的論斷影響深遠(yuǎn),在其后兩千多年的時(shí)間里,人們一直信奉他的學(xué)說。但是,這種從表面上的觀察得出的結(jié)論實(shí)際上是錯(cuò)誤的。
2. 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究
16世紀(jì),意大利學(xué)者伽利略對(duì)亞里士多德的看法提出了質(zhì)疑,并對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入的研究。伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法大體可歸結(jié)為以下幾點(diǎn):
發(fā)現(xiàn)問題 伽利略發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點(diǎn)有自相矛盾的地方。伽利略認(rèn)為,如果亞里士多德的觀點(diǎn)是對(duì)的,即重物比輕物下落得快,那么把重物和輕物拴在一起下落,它們將是什么結(jié)果呢?照亞里士多德的說法,重物下落得快,輕物下落的得慢,由于兩物拴在一起,“輕的”被“慢的”拉著,“慢的”被“快的”拖著,所以兩物拴在一起的速度應(yīng)是不快不慢。同樣,照亞里士多德的說法,兩物拴在一起,應(yīng)該是更重了,那它們應(yīng)該下落得更快。這兩個(gè)結(jié)論都是由亞里士多德的論斷推出來的,但得到的卻是互相矛盾的結(jié)果??梢?,亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。
提出假設(shè) 伽利略認(rèn)為,重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡單的變速運(yùn)動(dòng),物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。但是,速度的變化怎樣才算是均勻的呢?他考慮了兩種可能:一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來說是均勻的,即v與t成正比;另一種是速度的變化對(duì)位移來說是均勻的,即v與x成正比。
數(shù)學(xué)推理 伽利略通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出:如果v與x成正比,將會(huì)得到荒謬的結(jié)論;如果v與t成正比,它通過的位移x就與t2成正比。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為了便于測量時(shí)間,伽利略設(shè)法用斜面做實(shí)驗(yàn)。他在木制斜槽上蒙上羊皮紙,讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下,通過上百次對(duì)不同質(zhì)量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究,發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過的位移x確實(shí)與t2成正比,小球的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng),且傾角一定不同小球的加速度一定,傾角越大加速度越大。
合理外推 伽利略將他在斜面實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論做了合理的外推:設(shè)想斜面的傾角越接近900,小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng);當(dāng)斜面的傾角達(dá)到900時(shí),小球就做自由落體運(yùn)動(dòng)。從而,自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng),且所有物體自由下落時(shí)的加速度都相同。
3. 從伽利略看科學(xué)與社會(huì)
教材在本節(jié)“STS”欄目中講述了“從伽利略的一生看科學(xué)與社會(huì)”這一問題,建議認(rèn)真讀一讀。文中提到:文藝復(fù)興的精神打破了束縛人們思想的桎梏,激發(fā)了人們對(duì)自然的興趣和對(duì)自然的探索?;钴S在人們心中的各種思想,終于得到實(shí)在的結(jié)果。而教會(huì)對(duì)科學(xué)的干涉和對(duì)伽利略的迫害則造成了嚴(yán)重后果。以前一直人才輩出的意大利,在伽利略死后,它的科學(xué)活動(dòng)便很快地衰落下去了。這說明,沒有學(xué)術(shù)的民主和思想的自由,科學(xué)就不能繁榮。
發(fā)展級(jí)
4. 重物下落引發(fā)的兩個(gè)有趣問題
1969年美國實(shí)現(xiàn)登月,這是人類首次登月成功。在一次登月活動(dòng)中,宇航員David R.Sctt在月球上證實(shí)了榔頭與羽毛下落一樣快,月球的引力加速度為1.67m/s2。
1922年美國人厄阜等做了重物下落的細(xì)微實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)重力加速度隨不同材料大約有1%的變化。1986年菲斯巴赫等人認(rèn)為,物體與物體之間除引力外還存在微小的排斥力,稱為超負(fù)載力。美國馬薩諸塞大學(xué)的約·多諾古和假斯坦導(dǎo)出了不同物體下落加速度不同的結(jié)論,引力加速度與質(zhì)量和溫度有關(guān)。這個(gè)問題現(xiàn)在還沒有最后定論。
5. 什么是豎直上拋運(yùn)動(dòng)
將物體用一定的初速度沿豎直方向向上拋出去,物體在只受重力作用下所做的運(yùn)動(dòng)叫做豎直上拋運(yùn)動(dòng)。
6. 豎直上拋運(yùn)動(dòng)的兩種分析方法
對(duì)于豎直上拋運(yùn)動(dòng),有兩種不同的分析方法,即分段法和整體法。
分段法: 豎直上拋的物體,在上升過程中,速度越來越小,加速度的方向跟速度的方向相反,是豎直向下的;當(dāng)速度減小到0的時(shí)候,物體上升到最大高度。然后物體從這個(gè)高度自由下落,速度越來越大,加速度的方向跟速度的方向相同,也是豎直向下的。由于物體只受重力作用,這兩個(gè)過程的加速度都是重力加速度g。因此,在處理豎直上拋運(yùn)動(dòng)的問題時(shí),可以分兩步進(jìn)行計(jì)算:上升過程用初速度為0的勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式來計(jì)算,下降過程用自由落體運(yùn)動(dòng)公式來計(jì)算。
整體法: 由于上升過程和下降過程的加速度矢量是相同的,我們也可以把豎直上拋運(yùn)動(dòng)看作是一個(gè)統(tǒng)一的勻變速直線運(yùn)動(dòng),而上升運(yùn)動(dòng)和下降運(yùn)動(dòng)不過是這個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)過程。這樣,我們就可以用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式或關(guān)系式來統(tǒng)一討論豎直上拋運(yùn)動(dòng)。在討論這類問題中,我們習(xí)慣上總是取豎直向上的方向作為正方向,重力加速度g總是取絕對(duì)值。這樣,豎直上拋運(yùn)動(dòng)的公式或關(guān)系式通常就寫做:
速度公式 ,
位移公式 ,
速度—位移關(guān)系式 ,
用平均速度求位移的公式 。
注意:上述公式中的t是從拋出時(shí)刻開始計(jì)時(shí)的,x是運(yùn)動(dòng)物體對(duì)拋出點(diǎn)的位移。
豎直上拋運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)具體問題
現(xiàn)在,我們應(yīng)用豎直上拋運(yùn)動(dòng)的上述規(guī)律討論幾個(gè)具體問題。
(1)物體上升的時(shí)間
設(shè)物體經(jīng)過時(shí)間t1上升到最高點(diǎn),在這一時(shí)刻,物體是靜止的,由此可得
,
所以物體上升的時(shí)間 。
(2)上升的最大高度
物體上升的最大高度,就是時(shí)的高度。把這個(gè)式子代入位移公式就可以得出物體上升的最大高度H: 。
上式也可以直接從速度—位移關(guān)系式得出。
(3)物體下落的時(shí)間
物體落回到初位置時(shí)位移為0,即。代入位移公式得
,。
所以 ,。
表示物體運(yùn)動(dòng)開始時(shí)的時(shí)刻,表示物體經(jīng)過上升和下降過程后落回原地所需的時(shí)間。如果物體下降過程的時(shí)間為t2,那么,所以
。
比較t1和t2可知t1= t2,,即物體上升到最大高度所用的時(shí)間跟物體從這個(gè)最大高度落回原地所用的時(shí)間相等。
(4) 落地速度
已知落地時(shí)間為,由公式可以求出落回原地的速度為
。
可見,物體落回原地的速度跟拋出的初速度大小相等,方向相反。
實(shí)際上,在豎直上拋運(yùn)動(dòng)中,不但上升時(shí)間等于下落時(shí)間,而且在上述過程中通過某一位置的速度和下落過程中通過這個(gè)位置的速度總是大小相等、方向相反的。有興趣的同學(xué),對(duì)于后一論斷可以自己試做證明。
應(yīng)用鏈接
本節(jié)課的應(yīng)用主要涉及伽利略的科學(xué)探究方法,以及豎直上拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析和計(jì)算。
基礎(chǔ)級(jí)
例1 伽利略以前的學(xué)者認(rèn)為,物體越重,下落越快。伽利略等一些物理學(xué)家否定了這種看法。
(1)在一高塔頂端同時(shí)釋放一片羽毛和一個(gè)玻璃球,玻璃球先于羽毛到達(dá)地面,這主要是因?yàn)椋? )
A. 它們的質(zhì)量不等 B. 它們的密度不等
C. 它們的材料不同 D. 它們所受的空氣阻力不等
(2)在此塔頂端同時(shí)釋放大小相等的實(shí)心鐵球和空心鐵球,下列說法中正確的是( )
① 它們受到的空氣阻力不等 ② 它們的加速度相等
③ 它們落地的速度不等 ④ 它們下落的時(shí)間相等
A. ①③ B. ②④ C. 只有② D. 只有③
提示 羽毛下落時(shí)空氣阻力不能忽略,玻璃球和鐵球下落時(shí)空氣阻力可以忽略。
解析 (1)玻璃球先于羽毛到達(dá)地面,這主要是因?yàn)橛鹈艿降目諝庾枇Υ蟮木壒省U_選項(xiàng)為D。
(2)大小相等的實(shí)心鐵球和空心鐵球受到的空氣阻力相等。在忽略空氣阻力的情況下,兩球均做自由落體運(yùn)動(dòng),它們的加速度相等。因下落高度相等,故下落的時(shí)間相等,落地的速度相等。正確選項(xiàng)為B。
點(diǎn)悟 羽毛下落得比玻璃球慢,是由于空氣阻力的影響。在空氣阻力很小而可以忽略的情況下,實(shí)心鐵球和空心鐵球均做自由落體運(yùn)動(dòng),下落的快慢程度相同。要拋棄亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn),不要以為重物比輕物下落得快。
例2 滴水法測重力加速度的過程是這樣的:讓水龍頭的水一滴一滴地滴在其正下方的盤子里,調(diào)整水龍頭,讓前一滴水滴到盤子而聽到聲音時(shí),后一滴恰好離開水龍頭。從第1次聽到水擊盤聲時(shí)開始計(jì)時(shí),測出n次聽到水擊盤聲的總時(shí)間為t,用刻度尺量出水龍頭到盤子的高度差為h,即可算出重力加速度。設(shè)人耳能區(qū)別兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔為0.1s,聲速為340m/s,則( )
A. 水龍頭距人耳的距離至少為34m B. 水龍頭距盤子的距離至少為34m
C. 重力加速度的計(jì)算式為 D. 重力加速度的計(jì)算式為
提示 從自由落體運(yùn)動(dòng)位移公式出發(fā)進(jìn)行分析。
解析 只要相鄰兩滴水滴下的時(shí)間間隔超過0.1s,人耳就能分辨出兩滴水的擊盤聲,而與水龍頭距人耳的距離無關(guān)(只要人耳能夠聽到聲音)。在0.1s內(nèi),水滴下落的距離
m=0.05m,
所以,水龍頭距人耳的距離只要超過0.05m就行。
水龍頭滴兩滴水的時(shí)間間隔為,由可得
。
所以,本題正確選項(xiàng)為D。
點(diǎn)悟 這是一種既“土”又實(shí)用的測定重力加速度的方法,同學(xué)們不妨動(dòng)手做一做。請(qǐng)進(jìn)一步思考:在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,為什么要測從第1滴水滴開始下落到第n滴水滴恰好落到盤中這段時(shí)間,而不是直接測第1滴水滴在空中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間?當(dāng)?shù)?滴水滴落到盤中時(shí),第2滴水滴離水龍頭的距離為多少?
例3 實(shí)驗(yàn)室備有下列儀器:
A. 長度為1m、最小刻度為毫米的刻度尺;
B. 長度為1m、最小刻度為分米的刻度尺;
C. 秒表;
D. 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;
E. 低壓交流電源(50Hz)
F. 低壓直流電源
G. 天平。
為了測量重錘下落的加速度的數(shù)值,上述儀器中必須有的是 (填字母代號(hào)),實(shí)驗(yàn)是通過研究重錘做 運(yùn)動(dòng)來測量重錘下落加速度的。
把重錘固定在紙帶下端,讓紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,當(dāng)重錘自由下落時(shí),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)。取連續(xù)清晰的7個(gè)點(diǎn),用刻度尺測出第2、3、4、5、6、7各點(diǎn)與第1點(diǎn)的距離d如下表所示:
請(qǐng)用這些數(shù)據(jù)求出重力加速度的測量值。
提示 算出各點(diǎn)的速度,畫出速度圖象,由圖線的斜率可得重錘下落的加速度即重力加速度;或者由速度值求加速度,再取平均值;也可用逐差法直接求加速度,再取平均值。
解析 實(shí)驗(yàn)時(shí),上述儀器中必須有的是:低壓交流電源(50Hz)和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(用來打點(diǎn)),以及長度為1m、最小刻度為毫米的刻度尺(用來測量點(diǎn)跡之間的距離)。第1空內(nèi)應(yīng)填A(yù)、D、E。第2空內(nèi)應(yīng)填自由落體運(yùn)動(dòng)。
我們用逐差法來求重力加速度的測量值:根據(jù)表中的數(shù)據(jù),可得紙帶上相鄰兩點(diǎn)間的距離依次為 d1=6.0cm, d2=12.5cm-6.0cm=6,5cm, d3=19.3cm-12.5cm=6.8cm,
d4=26.5cm-19.3cm=7.2cm, d5=34.1cm-26.5cm=7.6cm, d6=42.1cm-34.1cm=8.0cm。
可得重物下落的加速度為 cm/s2=10m/s2,
cm/s2≈9.17m/s2,
cm/s2=10m/s2。
從而,重力加速度的測量值為
m/s2≈9.72m/s2。
點(diǎn)悟 用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量物體運(yùn)動(dòng)的加速度,這是最基本的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。要掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、操作步驟和數(shù)據(jù)處理方法。
例4 一種實(shí)驗(yàn)器材叫做光電門,它可以測出某物體經(jīng)過光電門所用的時(shí)間,如果知道物體的寬度,就可以求出這一小段過程的平均速度。你能用這種器材設(shè)計(jì)出研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)嗎?
提示 一小段過程的平均速度可當(dāng)作物體通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度。
解析 讓物體自由下落,將光電門放在物體經(jīng)過的不同位置,測出物體經(jīng)過光電門所用的時(shí)間△t,量出物體的寬度△x,則物體通過光電門時(shí)的速度v。量出光電門與物體初位置間的距離h,如果能得出的關(guān)系,就可說明物體的運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。由,可得。多次測量,可求出g的平均值。
點(diǎn)悟 本題為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題,題目要求根據(jù)提供的器材設(shè)計(jì)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)題中有關(guān)光電門作用的提示,結(jié)合自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,不難得出測量方法。要注意培養(yǎng)創(chuàng)新精神,提高這種設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。
發(fā)展級(jí)
例5 在15m高的塔上以4m/s的初速度豎直上拋一個(gè)石子,求經(jīng)過2s后石子離地面的高度。(g取10m/s2)
提示 用位移公式來計(jì)算。
解析 由豎直上拋運(yùn)動(dòng)位移公式可得
mm=-12m。
這表示經(jīng)過2s后石子對(duì)拋出點(diǎn)的位移的大小為12m,方向是豎直向下的,即石子經(jīng)過2s后在塔頂下方12m處,因而離地面的高度為
m-12m=3m。
點(diǎn)悟 上述解法采用了整體分析法,我們也可以分上升運(yùn)動(dòng)和下降運(yùn)動(dòng)兩步來計(jì)算:
石子上升到最高點(diǎn)的時(shí)間 s=0.4s,
離塔頂?shù)淖畲蟾叨? m=0.8m,
石子從最高點(diǎn)下落的距離
m=12.8m。
可見,石子離地面的高度為
m+0.8m-12.8m=3m。
顯然,這樣分步計(jì)算比較麻煩。
例6 由地面豎直上拋一個(gè)物體,通過樓房上1.55m高的窗戶,需要0.1s;當(dāng)物體下落時(shí),由下窗沿落到地面的時(shí)間為0.2s。求物體上升的最大高度。(g取10m/s2)
提示 應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)法求出物體豎直上拋的初速度。
解析 物體做豎直上拋運(yùn)動(dòng),根據(jù)對(duì)稱性,下降階段經(jīng)過窗戶的時(shí)間與上升階段經(jīng)過窗戶的實(shí)際相等。研究下降階段物體經(jīng)過窗戶的運(yùn)動(dòng),由位移公式可得物體到達(dá)窗戶上沿時(shí)的速度 m/s=15m/s。
由速度公式可得物體落地的速度
=15m/s+10×(0.1+0.2)m/s=18m/s。
根據(jù)對(duì)稱性,可知物體從地面拋出時(shí)的速度也為18m/s,即v’=18m/s。所以,物體上升的最大高度 m=16.2m。
點(diǎn)悟 豎直上拋運(yùn)動(dòng)上升階段與下降階段的運(yùn)動(dòng),在時(shí)間、位移、速度上均具有對(duì)稱性。運(yùn)用這種對(duì)稱性分析求解豎直上拋運(yùn)動(dòng)的有關(guān)問題,往往能出奇制勝。
:高考學(xué)習(xí)網(wǎng)()
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點(diǎn)的次序
1
2
3
4
5
6
7
距離 d/cm
0
6.0
12.5
19.3
26.5
34.1
42.1
這是一份人教版 (2019)必修 第一冊第二章 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究2 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系精品同步達(dá)標(biāo)檢測題,共13頁。試卷主要包含了6 sB.6,8m/s,6km/h.,8 km/h=108 m/s等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份高中物理2 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系課時(shí)作業(yè),共7頁。試卷主要包含了選擇題,非選擇題等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份高中物理人教版 (新課標(biāo))必修12 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系課后測評(píng),共10頁。
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