物理必修 第一冊(cè)第2章 勻變速直線運(yùn)動(dòng)第5節(jié) 自由落體運(yùn)動(dòng)課文課件ppt

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用一把刻度尺就可以粗略測(cè)量你的反應(yīng)時(shí)間，你相信嗎?如圖2-23所示，從發(fā)現(xiàn)同學(xué)開始釋放刻度尺，到你迅速反應(yīng)抓住刻度尺，這段時(shí)間便是你的反應(yīng)時(shí)間。
由你抓住尺子的位置，可計(jì)算出你的反應(yīng)時(shí)間。試一試看看你的反應(yīng)有多快。為什么通過(guò)刻度尺下落的距離就能算出你的反應(yīng)時(shí)間?學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，你就知道答案了。
1.自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)
在日常生活中，我們時(shí)常能看見(jiàn)落體運(yùn)動(dòng)，如屋檐滴水、果實(shí)下落等。那么，不同物體下落的快慢與哪些因素有關(guān)?其下落規(guī)律是否相同?
羽毛和硬幣下落得一樣快嗎如圖2-24所示，將羽毛與硬幣放入有空氣的玻璃管，將彼璃管倒立過(guò)來(lái)，觀察羽毛和硬幣下落的快慢。觀察結(jié)果是_____________________________________.
抽去披璃管內(nèi)的部分空氣，再將玻璃管倒立過(guò)來(lái)，觀察羽毛和硬幣下落的快慢。觀察結(jié)果是____________________________________.繼續(xù)抽去玻璃管內(nèi)的空氣，使其逐漸接近真空，再觀察羽毛和硬幣下落的快慢。觀察結(jié)果是_______________根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你得到的結(jié)論是_______________
由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)玻璃管內(nèi)有空氣時(shí)，同時(shí)釋放羽毛和硬幣，因受空氣阻力的影響，羽毛比硬幣下落慢;當(dāng)玻璃管內(nèi)接近真空時(shí)，羽毛與硬幣幾乎以相同的速度下落，且?guī)缀跬瑫r(shí)到達(dá)玻璃管的底端。可見(jiàn)，在忽略空氣阻力的情況下，盡管羽毛與硬幣的質(zhì)量不同，但下落的快慢相同.
在物理學(xué)中，將物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)稱為自由落體運(yùn)動(dòng)(free-falltin)那么，自由落體運(yùn)動(dòng)有什么規(guī)律呢?我們依然可用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或頻閃照相進(jìn)行探究。
圖2-25為小球做自由落體運(yùn)動(dòng)的頻閃照片，從頻閃照片中可知小球在自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間和位移信息，然后通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算分析可知自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種勻加速直線運(yùn)動(dòng)。
實(shí)際上，物體下落過(guò)程中總會(huì)受到除重力外的其他因素(如空氣阻力)的影響。不過(guò)，當(dāng)其他因素的影響可忽略時(shí)，仍可將這些物體的下落視為自由落體運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，應(yīng)學(xué)會(huì)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。日常生活經(jīng)驗(yàn)有時(shí)會(huì)影響我們的正確判斷。例如，對(duì)于羽毛和硬幣(只受重力作用)的下落情形，如果不利用真空實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，我們就可能會(huì)根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。
圖2-26為跳傘者在下降過(guò)程中速度變化示意圖。根據(jù)示意圖，跳傘者下降的全過(guò)程可看成自由落體運(yùn)動(dòng)嗎?為什么?跳傘者在下降過(guò)程的不同階段近似做什么運(yùn)動(dòng)?請(qǐng)和同學(xué)討論并交流著法。(紅色箭頭表示物體受力)
2.自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度
科學(xué)研究表明，物體自由下落時(shí)具有的加速度源于物體所受的重力作用，稱為重力加速度，常用字母g表示。地球上重力加速度的方向總是豎直向下，不同地點(diǎn)的重力加速度大小有差異。
一般情況下，取g=9.8 m/s粗略計(jì)算時(shí)可取g=10m/s2D既然自由落體運(yùn)動(dòng)是一種初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那么在分析自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，只需將前面學(xué)過(guò)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式中的a改為g，同時(shí)取=0，這樣自由落體運(yùn)動(dòng)的位移公式可寫為
速度公式可寫為v=gl根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，利用前面測(cè)反應(yīng)時(shí)間的小實(shí)驗(yàn)，你能夠計(jì)算出自己的反應(yīng)時(shí)間嗎?
某些地點(diǎn)的重力加速度表2-3展示了某些地點(diǎn)的重力加速度大小。從表中可以看出，物體所處地點(diǎn)的緯度越高，重力加速度值越大;緯度越低，重力加速度值越小。
3.自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律探索回眸
在做探究羽毛和硬幣下落得是否一樣快的實(shí)驗(yàn)之前，當(dāng)看見(jiàn)重物比輕物下落得更快時(shí)，你是否會(huì)認(rèn)為物體自由下落的速度與物體的質(zhì)量有關(guān)?
若真得出這樣的結(jié)論，請(qǐng)不要?dú)怵H，因?yàn)槟愕慕Y(jié)論與古希臘哲學(xué)家亞里士多德的結(jié)論是相似的，都受到了日常生活經(jīng)驗(yàn)的影響。歷史上，關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索還留下了一些故事。回顧歷史，對(duì)我們了解科學(xué)家的探究方法、學(xué)習(xí)他們的科學(xué)精神是非常有益的。
亞里士多德認(rèn)為，重物比輕物下落得快。伽利略在1638 年出版的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中指出，如果重物比輕物下落得快，那么把重物和輕物拴在一起，重物會(huì)被輕物拖著而使下落速度減慢，輕物則會(huì)被重物拖著而使下落速度加快，它們的共同速度應(yīng)介于兩個(gè)物體單獨(dú)下落的速度之間。
但是，從另一個(gè)角度看，重物和輕物拴在一起，總質(zhì)量增加了，那么對(duì)應(yīng)的下落速度應(yīng)比單個(gè)重物快。伽利略從亞里士多德的理論出發(fā)，得出兩個(gè)相互矛盾的推論。伽利略認(rèn)為，物體下落快慢的差異與空氣阻力有關(guān)，在忽略空氣阻力的情況下，所有物體的下落都一樣快。
落體運(yùn)動(dòng)遵循怎樣的規(guī)律?在伽利略之前有人進(jìn)行過(guò)探討，提出了一些不同的看法。與眾不同的是，伽利略用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的猜想。他首先提出自由落體運(yùn)動(dòng)是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)(即勻變速直線運(yùn)動(dòng)的猜想。
怎樣證實(shí)這個(gè)猜想呢?伽利略認(rèn)為，當(dāng)物體從靜止開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要物體的位移與所用時(shí)間的平方成正比，就可判定這個(gè)物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。
但在伽利略那個(gè)時(shí)代，要直接測(cè)量物體自由下落的時(shí)間非常困難，因?yàn)槲矬w下落得太快。為使物體運(yùn)動(dòng)速度盡量放慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)間盡量延長(zhǎng)，伽利略提出了新的實(shí)驗(yàn)方法:從直接研究自由落體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向研究物體在斜面上的運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行輯推理，巧妙克服了測(cè)量上的困難
伽利略的實(shí)驗(yàn)方法如圖2-27 所示，讓小球從斜面的不同位置自由滾下，觀測(cè)小球多次從不同起是否保持點(diǎn)滾動(dòng)的位移與所用時(shí)間平方的比值 是否保持不變，即是否能夠觀測(cè)到
不斷加大斜面的傾角(圖2-28)對(duì)于每一個(gè)特定的傾角，如果小球從不同高度滾下時(shí)這個(gè)比值仍然保持不變，即可說(shuō)明小球在斜面上的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。將此結(jié)論合理推至斜面傾角為90°(即物體自由下落)，其比值 也將保持不變，小球仍做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。
以上就是伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》一書中詳細(xì)介紹的實(shí)驗(yàn)方法，伽利略間接地證明了白由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)(圖2-29)
愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中曾評(píng)價(jià)說(shuō)，伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所運(yùn)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。
1.如圖所示，漫畫中的人用石塊來(lái)估測(cè)水井的深度。你認(rèn)為有道理嗎?為什么?
2.伽利略為了研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，將落體實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為著名的“斜面實(shí)驗(yàn)”為什么要采用這樣的研究方法?“斜面實(shí)驗(yàn)” 得到的結(jié)論是什么?由此又是如何得到落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的呢?請(qǐng)作出說(shuō)明。
3.高空墜物常會(huì)造成極大的危害。某高模住戶，有一花盤從距地面20 m處自由落下。取重力加速度g= 10m/s2，不計(jì)空氣阻力，花盤經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間落到地面? 到達(dá)地面時(shí)的速度有多大? 請(qǐng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查找相關(guān)資料，討論高空墜物的危害并提出防止高空墜物的建議。
4.某物理興趣小組根據(jù)伽利略貓述的方法,設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，探究物體沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)方最:讓滑塊從不同高度由靜止沿斜面下滑，釋放滑塊時(shí)打開閥門，使水箱中的水流入量筒。
當(dāng)滑塊碰到擋板時(shí)關(guān)閉閥門，測(cè)量此時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)的距離5和量筒中水的體積 V。在水流基本均勻的情況下，滑塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，量簡(jiǎn)中的水就越多。(1)水的________________可反映滑塊運(yùn)動(dòng)的____________________________.
(2)根據(jù)初速度為0的勻速直線運(yùn)動(dòng)______________與______________比值不變的規(guī)律對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可判斷滑塊沿斜面下滑的運(yùn)動(dòng)是否為勻變速直線運(yùn)動(dòng)。
(3)下表為該實(shí)驗(yàn)小組測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)將計(jì)算結(jié)果填入表格。你的結(jié)論是______________________________________
(4)你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源主要有
5.根據(jù)圖2-23所示的方法，在刻度尺的不同刻度處標(biāo)記對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間，可制成“反應(yīng)時(shí)間尺”使用時(shí)需光把手放到0刻度處，這樣就可從你抓住的位置直接讀出反應(yīng)時(shí)間。試一試，看誰(shuí)制作的更好用，并說(shuō)明理由。