师:同学们,今天我们来学习自由落体运动。首先,回顾一下匀变速直线运动的规律,主要体现在这4条公式:

  第一条,$v_{t}=v_{0}+at$;

  第二条,$s = v_{0}t + \frac{1}{2}at^{2}$;

  第三条,$v_{t}^{2} - v_{0}^{2} = 2as$;

  第四条,$v_{\frac{t}{2}} = \frac{v_{0} + v_{t}}{2}$ 。

  接着,测量匀变速直线运动加速度的方法主要有两种。第一种,根据$a = \frac{\Delta s}{t^{2}}$,采取逐差法;第二种,根据$v_{\frac{t}{2}} = \frac{v_{0} + v_{t}}{2}$算出各点的速度,采用$v - t$图像法来求斜率。

  下面开始新课讲授,主要从自由落体运动的定义、规律和应用三个方面展开。

  先来看自由落体运动的定义。首先我们探究影响物体下落快慢的因素。这里有一片树叶和一块石头,将它们在同一高度同时静止释放,可以看到重的石头先落地。亚里士多德也提出类似观点,他认为重的物体下落快,轻的物体下落慢,物体下落快慢由它们的重量决定。但亚里士多德的观点对吗?我们用重的大白纸和轻的小白纸来研究。把大白纸水平放置,小白纸揉成纸团,在同一高度同时静止释放,可以看到轻的小白纸先落地。这与亚里士多德“重的物体下落快”的观点相违背。除了实验,伽利略还进行了逻辑推理。设大石头下落速度为8,小石头下落速度为4,如果把大小石头绑在一起同时释放,一方面,由于大石头被小石头拖累,下落速度会小于8;另一方面,两者重量大于大石头,下落速度应大于8。两种截然不同的结果说明亚里士多德的观点是错误的。

  刚才通过实验探究和逻辑推理,我们推翻了“重的物体下落快,轻的物体下落慢”的错误观点,初步得出物体下落快慢与其轻重无关。那么影响物体下落快慢的因素可能是什么呢?在刚才的实验中,小白纸揉成纸团后,空气阻力减小,下落更快,由此猜想,空气阻力可能影响物体下落的快慢。

  为了验证猜想,我们进行牛顿管实验探究。图一是牛顿管,它是一条长玻璃管;图二是抽气泵,可以对牛顿管进行抽气;图三是牛顿管里面的铁片和羽毛,羽毛带有铁丝,方便开始下落时电磁铁把它吸引住;图四是电磁铁控制装置,接有干电池,能使铁片和羽毛在释放前被吸住,断开开关,又能实现铁片和羽毛同时静止释放。

  本实验分三次进行,分别是未抽气、部分抽气和抽真空。第一次未抽气,可以看到铁片先落地;第二次部分抽气,铁片依然先落地,但与羽毛的距离减小;第三次抽真空,铁片和羽毛几乎同时落地。通过牛顿管实验以及科学家多次实验和推理可以得出,没有空气阻力时,轻重不同的物体下落快慢一致。由此得出自由落体运动的定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,称为自由落体运动。这种运动只在真空中发生,如果有空气阻力,但比较小,可以忽略,也可以看成自由落体运动。这是理想模型法,也就是忽略次要矛盾(空气阻力),抓住主要矛盾(重力)的研究方法。类似的案例还有在质点的研究中忽略物体的形状和大小。

  讲完自由落体的定义,接着讲自由落体的规律。我们先来猜想自由落体运动可能是一种怎样的运动。因为物体是静止释放,所以自由落体运动的初速度为零;又因为下落越来越快,所以自由落体运动是加速运动。我们从研究运动的最简单形式出发,可以认为自由落体运动是一种匀加速直线运动。因此我们最终猜想自由落体运动可能是一种初速度为零的匀加速直线运动。既然是匀加速直线运动,那么它的加速度应该是恒定不变的。

  那么我们该如何测量自由落体运动的加速度呢?

  方法一,用打点计时器测量。实验器材有铁架台、打点计时器、纸带、重锤和游标卡尺。实验过程如下:纸带一端绑紧重锤,另一端穿过带有复写纸的打点计时器的限位孔,用手拉着重锤,使重锤靠近打点计时器,并保持在竖直平面内。插上电源,启动打点计时器,让打点计时器打点稳定后,静止释放纸带,从而打出点来。

  取下打点清晰的纸带,并记录数据。记录过程如下:舍去开始密集的点,从打点清晰的点开始记作0,然后每两个点为一个计数点,分别标上1、2、3、4、5、6,并且在0 - 1之间标记$S_{1}$,$H_{2}$、$H_{3}$、$H_{4}$、$H_{5}$、$H_{6}$的标注方法同理。相邻两个计数点之间的时间间隔为0.04秒,具体数据如下表所示。

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《物理 必修1 第2章 第四节 自由落体运动 逐字稿-3,599字 第5版》.docx
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