物理：2.5《自由落体运动》导学案(新人教版必修一)

五．自由落体运动

[要点导学]

1．物体只在___________________________________________叫做自由落体运动。这种运动只在没有空气的空间里才能发生，我们所研究的自由落体运动是实际运动的一种抽象，是一种理想化的运动模型：忽略次要因素（空气阻力）、突出主要因素（重力）。生活中的很多落体问题，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，物体的下落也可以近似看作自由落体运动。因此，对生活中的落体运动进行理想化处理是有实际意义的。

2．自由落体运动的特点：物体仅受重力作用；初速度v0=____，加速度a=____，即初速度为零的匀加速直线运动。

3．叫做自由落体加速度，也

叫，通常用符号_____表示。重力加速度g的方向总是_______________；g的大小随地点的不同而略有变化，在地球表面上赤道处重力加速度最小，数值为________，南、北两极处重力加速度

_______，数值为_______；g的大小还随高度的变化而变化，高度越大，g 值______。但这些差异并不是太大，在通常计算中，地面附近的g取

9.8m/s2，在粗略的计算中，g还可以取10m/s2。

4．自由落体运动是匀变速直线运动在v0=0、a=g时的一个特例,因此其运动规律可由匀变速直线运动的一般规律来推导。

速度公式：v t=g t

位移公式：h=gt2/2

速度与位移的关系式：v t2=2gh

在应用自由落体运动的规律解题时，通常选取方向为正方向。

5．重力加速度的测量

研究自由落体运动通常有两种方法：用打点计时器研究自由落体运动和用频闪摄影法研究自由落体运动。研究的原理和过程与前面对小车运动的研究相同，在对纸带或照片进行数据处理，计算物体运动的加速时，可以有下面两种方法：

(1)图象法求重力加速度

以打点计时器研究自由落体运动为例，对实验得到如图2-4-1所示的纸带进行研究。

根据匀变速直线运动的一个推论：在一段时间t内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度，有v1=(x1+x2)/2T，v2=(x2+x3)/2T……求出各计数点的瞬时速度后，由加速度的定义：a=Δv/Δt计算出该物体做匀变速直线运动的加速度；或选好计时起点作v-t图象，图象的斜率即为该匀变速直线运动的加速度。

(2)逐差法求重力加速度

图2-4-1中x1、x2、x3、…、x n是相邻两计数点间的距离,Δx表示两个连续相等的时间里的位移之差,即Δx1= x2-x1,Δx2= x3-x2,……T是两相邻计数点间的时间间隔且T=0.02n(n为两相邻计数点间的间隔数)。

设物体做匀变速直线运动经过计数点0时的初速度为v0，加速度为a，由位移公式得：x1= v0T+a T2/2，x2= v1T+a T2/2，又因为v1=v0+a T，所

以Δx= x2-x1= a T2。因为时间T是个恒量，物体的加速度a也是个恒量，因此，Δx必然是个恒量。这表明，只要物体做匀变速直线运动，它在任意两个连续相等时间里的位移之差就一定相等。

根据x4-x1= (x4-x3)+ (x3-x2)+ (x2-x1)=3a T2，可得：

a1=(x4-x1)/3T2，同理可得：a2=(x5-x2)/3T2；a3=(x6-x3)/3T2。

加速度的平均值为：

a=(a1+a2+a3)/3=[(x4-x1)/3T2+(x5-x2)/3T2+(x6-x3)/3T2]/3

=[( x4+x5+x6)- ( x1+x2+x3)] /9T2

这种计算加速度的方法叫做“逐差法”。

如果不用此法，而用相邻的各x值之差计算加速度再求平均值可得：a=[(x2-x1)/T2+(x3-x2)/T2+(x4-x3)/T2+(x5-x4)/T2+(x6-x5)/T2]/5=(x6-

x1)/5T2

比较可知，逐差法将x1到x6各实验数据都利用了，而后一种方法只用上了x1和x6两个实验数据，所以失去了多个数据正负偶然误差互相抵消的作用，算出的a值误差较大，因此实验中要采用逐差法。

[范例精析]

例1：甲球的重力是乙球的5倍，甲、乙分别从高H、2H处同时自由落下（H足够大），下列说法正确的是（）

A．同一时刻甲的速度比乙大

B．下落1m时，甲、乙的速度相同

C．下落过程中甲的加速度大小是乙的5倍

D．在自由下落的全过程，两球平均速度大小相等

解析：甲、乙两球同时作初速度为零、加速度为g的直线运动，所以下落过程的任一时刻两者加速度相同、速度相同，但整个过程中的平均速度等于末速度的一半，与下落高度有关。所以正确选项为B。

拓展：自由落体运动是匀加速直线运动的一个特例，其初速度为零、加速度为g，g的大小与重力大小无关。当问题指明（或有明显暗示）空气阻力不能忽略不计时，物体运动就不再是自由落体运动。

例2：水滴由屋檐自由下落，当它通过屋檐下高为1.4m的窗户时，用时0.2s，不计空气阻力，g取10m/s2，求窗台下沿距屋檐的高度。

解析：雨滴自由下落，由题意画出雨滴下落运动的示意图如图2-4-2所示,利用自由落体运动的特点和图中的几何关系求解。

如图2-4-2所示h1=gt2/2……①

h2=gt2/2……②

t2=t1+0.2s……③

h2=h1+L……④

由①②③④解得:g(t1+0.2)2/2=gt12/2+L代入数据得t1=0.6s

所以, h2=g(t1+0.2)2=10×0.82/2=3.2m

拓展：由该问题的解题过程可以看出，利用平均速度来解题比较方便、简捷。请思考：本题有无其它解题方法，如有，请验证答案。

例3：升降机以速度v＝4.9m/s匀速竖直上升，升降机内的天花板上有一个螺丝帽突然松脱，脱离天花板。已知升降机天花板到其地板的高度为h＝14.7m。求螺丝帽落到升降机地板所需时间。