2.5 自由落体运动
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●重点与剖析
一、自由落体运动
1.定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动.
思考：不同的物体，下落快慢是否相同？为什么物体在真空中下落的情况与在空气中下落的情况不同？
在空气中与在真空中的区别是，空气中存在着空气阻力.对于一些密度较小的物体，例如降落伞、羽毛、纸片等，在空气中下落时，受到的空气阻力影响较大；而一些密度较大的物体，如金属球等，下落时，空气阻力的影响就相对较小了.因此在空气中下落时，它们的快慢就不同了.
在真空中，所有的物体都只受到重力，同时由静止开始下落，都做自由落体运动，快慢相同.
2.不同物体的下落快慢与重力大小的关系
（1）有空气阻力时，由于空气阻力的影响，轻重不同的物体的下落快慢不同，往往是较重的物体下落得较快.
（2）若物体不受空气阻力作用，尽管不同的物体质量和形状不同，但它们下落的快慢相同.
3.自由落体运动的特点
（1）v0=0
（2）加速度恒定（a=g）.
4.自由落体运动的性质：初速度为零的匀加速直线运动.
二、自由落体加速度
1.自由落体加速度又叫重力加速度，通常用g来表示.
2.自由落体加速度的方向总是竖直向下.
3.在同一地点，一切物体的自由落体加速度都相同.
4.在不同地理位置处的自由落体加速度一般不同.
规律：赤道上物体的重力加速度最小，南（北）极处重力加速度；物体所处地理位置的纬度越大，重力加速度越大.
三、自由落体运动的运动规律
因为自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动，所以匀变速直线运动的基本公式及其推论都适用于自由落体运动.
1.速度公式：v=gt
2.位移公式：h= gt2
3.位移速度关系式：v2=2gh
4.平均速度公式： =
5.推论：Δh=gT2
●问题与探究
问题1 物体在真空中下落的情况与在空气中下落的情况相同吗？你有什么假设与猜想？
探究思路：物体在真空中下落时，只受重力作用，不再受到空气阻力，此时物体的加速度较大，整个下落过程运动加快.在空气中，物体不但受重力还受空气阻力，二者方向相反，此时物体加速度较小，整个下落过程较慢些.
问题2 自由落体是一种理想化模型，请你结合实例谈谈什么情况下，可以将物体下落的运动看成是自由落体运动.
探究思路：回顾第一章质点的概念，谈谈我们在处理物理问题时，根据研究问题的性质和需要，如何抓住问题中的主要因素，忽略其次要因素，建立一种理想化的模型，使复杂的问题得到简化，进一步理解这种重要的科学研究方法.
问题3 地球上的不同地点，物体做自由落体运动的加速度相同吗？
探究思路：地球上不同的地点，同一物体所受的重力不同，产生的重力加速度也就不同.一般来讲，越靠近两极，物体做自由落体运动的加速度就越大;离赤道越近，加速度就越小.
●典题与精析
例1 下列说法错误的是
A.从静止开始下落的物体一定做自由落体运动
B.若空气阻力不能忽略，则一定是重的物体下落得快
C.自由落体加速度的方向总是垂直向下
D.满足速度跟时间成正比的下落运动一定是自由落体运动
精析：此题主要考查自由落体运动概念的理解，自由落体运动是指物体只在重力作用下从静止开始下落的运动.选项A没有说明是什么样的物体，所受空气阻力能否忽略不得而知；选项C中自由落体加速度的方向应为竖直向下，初速度为零的匀加速直线运动的速度都与时间成正比，但不一定是自由落体运动.
答案：ABCD
例2 小明在一次大雨后，对自家屋顶滴下的水滴进行观察，发现基本上每滴水下落的时间为1.5 s，他由此估计出自家房子的大概高度和水滴落地前瞬间的速度.你知道小明是怎样估算的吗？
精析：粗略估计时，将水滴下落看成是自由落体，g取10 m/s2，由落体运动的规律可求得.
答案：设水滴落地时的速度为vt，房子高度为h，则：
vt=gt=10×1.5 m/s=15 m/s
h= gt2= ×10×1.52 m=11.25 m.
绿色通道：学习物理理论是为了指导实践，所以在学习中要注重理论联系实际.分析问题要从实际出发，各种因素是否对结果产生影响都应具体分析.
例3 一自由下落的物体最后1 s下落了25 m，则物体从多高处自由下落？（g取10 m/s2）
精析：本题中的物体做自由落体运动，加速度为g=10 N/kg，并且知道了物体最后1 s的位移为25 m，如果假设物体全程时间为t，全程的位移为s，该物体在前t－1 s的时间内位移就是s－25 m，由等式h= gt2和h－25= g（t－1）2就可解出h和t.
答案：设物体从h处下落，历经的时间为t.则有：
h= gt2 ①
h－25= g（t－1）2 ②
由①②解得：h=45 m，t=3 s
所以，物体从离地45 m高处落下.
绿色通道：把物体的自由落体过程分成两段，寻找等量关系，分别利用自由落体规律列方程，联立求解.
自主广场
●基础达标
1.在忽略空气阻力的情况下，让一轻一重的两石块从同一高度处同时自由下落，则
A.在落地前的任一时刻，两石块具有相同的速度、位移和加速度
B.重的石块下落得快、轻的石块下落得慢
C.两石块在下落过程中的平均速度相等
D.它们在第1 s、第2 s、第3 s内下落的高度之比为1∶3∶5
答案：ACD
2.甲、乙两球从同一高度处相隔1 s先后自由下落，则在下落过程中
A.两球速度差始终不变 B.两球速度差越来越大
C.两球距离始终不变 D.两球距离越来越大
答案：AD
3.物体从某一高度自由落下，到达地面时的速度与在一半高度时的速度之比是
A. ∶2 B. ∶1
C.2∶1 D.4∶1
答案：B
4.从同一高度处，先后释放两个重物，甲释放一段时间后，再释放乙，则以乙为参考系，甲的运动形式是
A.自由落体运动 B.匀加速直线运动a＜g
C.匀加速直线运动a>g D.匀速直线运动
答案：D
5.A物体的质量是B物体质量的5倍，A从h高处，B从2h高处同时自由落下，在落地之前，以下说法正确的是
A.下落1 s末，它们的速度相同
B.各自下落1 m时，它们的速度相同
C.A的加速度大于B的加速度
D.下落过程中同一时刻，A的速度大于B的速度
答案：AB
6.从距离地面80 m的高空自由下落一个小球，若取g=10 m／s2，求小球落地前最后1 s内的位移.
答案：35 m
●综合发展
7.两个物体用长L=9.8 m的细绳连接在一起，从同一高度以1 s的时间差先后自由下落，当绳子拉紧时，第二个物体下落的时间是多长?
答案：0.5 s
8.一只小球自屋檐自由下落，在Δt=0.2 s内通过高度为Δh=2 m的窗口，求窗口的顶端距屋檐多高?（取g=10 m／s2）
答案：2.28 m
9.如图2－4－1所示，竖直悬挂一根长15 m的杆，在杆的下方距杆下端5 m处有一观察点A，当杆自由下落时，从杆的下端经过A点起，试求杆全部通过A点所需的时间.
（g取10 m/s2）
图2－4－1
答案：1 s
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