對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”問題的再認(rèn)識(shí)

凃詩(shī)怡

自由落體運(yùn)動(dòng)指在重力的單獨(dú)作用下進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)的過程.下面從教材知識(shí)出發(fā)，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一物理原理進(jìn)行分析和驗(yàn)證，同時(shí)將實(shí)際生活中存在的問題與物理原理進(jìn)行聯(lián)系，加深對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建更為完善的物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò).高中時(shí)期學(xué)習(xí)物理知識(shí)不應(yīng)該單純?yōu)榱私獯鹪囶}，而是要善于利用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)并解決生活中的實(shí)際問題，深入研究物理原理，切身體會(huì)物理學(xué)科的博大精深.

一、問題的提出

亞里士多德根據(jù)對(duì)生活現(xiàn)象的觀察，從同一高度落下的果實(shí)和樹葉，果實(shí)的下落速度較樹葉快，認(rèn)為事物在高空下落的速度受其重量的影響，由此在《物理學(xué)》中提出影響已知重物下落速度的因素有兩個(gè)：所穿過介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)物體的重量.伽利略對(duì)這一論斷表示懷疑，并做了著名的斜塔實(shí)驗(yàn)，證明重量不同的兩個(gè)物體在一定條件下下落速度一致.通過牛頓第二定律我們知道，做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體下落速度與重量無(wú)關(guān)，出現(xiàn)果實(shí)比樹葉下落速度快的現(xiàn)象是由于物體在下落過程中受到空氣阻力的影響.如何利用實(shí)驗(yàn)證明這一物理原理呢？

二、公式推導(dǎo)

采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí).自由落體運(yùn)動(dòng)指在重力的單獨(dú)作用下進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)的過程.因此在實(shí)驗(yàn)過程中要排除其他力的作用.

實(shí)驗(yàn)1：在相同高度釋放小球和紙片，觀察兩物體落地時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)2：將紙片團(tuán)成紙團(tuán)，再在相同高度釋放小球和紙團(tuán)，觀察兩物體落地時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：空氣阻力的確存在，且會(huì)影響下落物體的運(yùn)動(dòng)速度和落地時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)3：觀察牛頓管中小球和羽毛的運(yùn)動(dòng)情況.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明在真空環(huán)境中質(zhì)量不同的物體從高處下落，落地時(shí)間相同.由此證明做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體下落速度快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān).

實(shí)驗(yàn)4：采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行計(jì)算.實(shí)驗(yàn)器材和紙帶情況如圖所示.

對(duì)紙帶進(jìn)行測(cè)量分析：自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為豎直的直線，即自由落體運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)；連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)位移不同，且運(yùn)動(dòng)位移越來越大，即自由落體運(yùn)動(dòng)為變速運(yùn)動(dòng)，且為加速運(yùn)動(dòng)；通過測(cè)量和計(jì)算X1，X2，X3，X4，X5，X6的數(shù)量關(guān)系，可以確定自由落體為勻加速運(yùn)動(dòng)，即做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體受到一個(gè)方向的穩(wěn)定的力的持續(xù)作用.

根據(jù)上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)，再結(jié)合實(shí)際生活中的例子，可以判斷受到的力為重力，即自由落體運(yùn)動(dòng)為只受重力作用的勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為重力加速度.代入勻加速直線運(yùn)動(dòng)中加速度和加速時(shí)間的計(jì)算公式，可得：

三、實(shí)例分析

自由落體在實(shí)際生活中經(jīng)常用于估計(jì)某高臺(tái)距地面高度、各類礦井深度等.如某同學(xué)在野外發(fā)現(xiàn)一深井，想估計(jì)這口井的深度，但并未攜帶專業(yè)測(cè)量工具，則可通過身邊質(zhì)量較重、體積較小的石塊，利用自由落體運(yùn)動(dòng)原理對(duì)井深進(jìn)行測(cè)量.這里利用的就是公式h=12gt2，通過測(cè)量石塊下落時(shí)間，計(jì)算下落高度，即井深.

在整個(gè)高中物理學(xué)科中，自由落體運(yùn)動(dòng)不僅可以和運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而且能夠與動(dòng)量定理、能量守恒等知識(shí)板塊進(jìn)行關(guān)聯(lián).在物理試卷上也經(jīng)常出現(xiàn)勻加速運(yùn)動(dòng)與碰撞問題，將這幾個(gè)問題進(jìn)行串聯(lián).而自由落體運(yùn)動(dòng)是解決這類問題的必要工具和重要手段.因此在學(xué)習(xí)過程中要熟記相關(guān)公式，深入理解自由落體運(yùn)動(dòng)的物理原理，并以此為中心構(gòu)建完整的物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò).