2.4 自由落体运动 课件-2023-2024学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

自由落体运动 赫威斯育才高级中学 课前思考 重的石头比轻的树叶下落快，这是我们司空见惯的事。 2000多年前，亚里士多德通过观察总结，得出了一个结论，认为“重 的物体下落快，轻的物体下落慢”。这个结论与人们日常生活中所见 的相符合，一直被人们所接受。后来，伽利略否定了亚里士多德的观点。 伽利略推翻亚里士多德的观点运用了物理悖论的思想方 法。所谓悖论，就是在某一大前提下进行推理，结果推出了与已知相矛盾的结果，说明这个大前提是错误的。 课前思考 如果亚里士多德的观点是正确的，即“重的物体比轻的物 体下落快”，你如何运用这一大前提来推翻亚里士多德的观点，请同桌同学相互讨论。 逻辑推理的方法！ 如果亚里士多德的观点是正确的， 那么大石头下落的速度比小石头下落的速度要大。 假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4。如果把两块石头绑在一起，大石头会被小石头拖着而减慢，整体下落的速度就小于8。 但两块石头捆在一起，总重力比大石头还重，整体下落的速度要 大于8。 因此，从“重的物体比轻的物体下落快”这个大前提出发，结果推出了互相矛盾的结论。因此，重的物体与轻的物体应该下落得一 样快。 物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫作自由落体运动。这种运动只在真空中才能发生。 伽利略认为自然界的规律是简洁明了的，因此他认为自由落体的运动是最简单的变速运动。 这种最简单的变速运动，其速度应该均匀变化。 自由落体运动有什么规律呢？我们依然可用打点计时器或频闪照相进行探究。 小球做自由落体运动的频闪照片，从频闪照片中可知小球在自由落体运动过程中的时间和位移信息，然后通过进一步计算分析，可知自由落体运动实质上是一种匀加速直线运动。 伽利略如何研究自由落体运动的规律? 伽利略运用逻辑推理反驳了亚里士多德的观点后并未就此止步。他认为科学家必须超过“单纯的思索”，必须通过实验来“聪明地提问”。 伽利略通过观察发现物体下落时运动得越来越快，提出:“当一块原来静止的石头从高处落下的速度连续增加时，为什么不应当相信速度以一种简单的、人们最容易理解的方式增加呢?” 他猜想，落体运动的速度 v 与时间 t 成正比，即v = kt式中的 k 是一个常量。 受到当时测量手段的限制，无法比较准确地测量物体下落的速度与时间。 伽利略经过分析发现，如果物体的初速度为零，且速度随时间均匀变化，则物体通过的距离与时间的二次方成正比。可通过测量距离与时间的关系检验物体的速度是否随时间均匀变化。 为了解决计时的困难，伽利略将落体运动转化为小球沿斜面的运动。小球沿斜面由静止起向下运动的过程中，下降相同的高度所用的时间比自由下落的时间长。这样，时间的测量就会变得比较容易。 发现问题 → 提出猜想 → 数学推理 → 实验验证 → 合理外推 → 得出结论 小球沿斜面下滑的运动是匀变速运动。如果增大斜面倾角，小球沿斜面下滑的运动还是匀变速运动，只是加速度增大了。如果再增大斜面倾角，直至斜面的倾角达到 90°. 当斜面的倾角达到90°时，小球的运动就是自由落体运动。因此，自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动。 由于伽利略时代没有抽气机，伽利略无法通过实验来验证 重的物体与轻的物体同时下落。 后来，牛顿设计了牛顿管，利用抽气 机获得了近似真空的环境，用实验证明了伽利略的理论是正确的。 再后来，人们登上月球时，宇航员在月球上的真空环境下重做了重锤、 羽毛同时下落的实验，再次证明了伽利略的结论是正确的。 伽利略的成功，不仅在于找出了落体运动的规律，更重要的是开辟了一条把物理实验与科学推理结合的物理学研究之路。 爱因斯坦给予伽利略高度的评价:“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” 思考与讨论 历史上关于落体运动有很多说法。判断下列表述是否准确。 (1)伽利略认为物体越重，下落得越快。 (2)亚里士多德认为物体下落的快慢与物体的轻重无关。 (3)伽利略猜想落体运动的速度与其下落时间成正比，并用实验测出不同时刻的速度，验证了他的猜想。 $