内容正文:
DIYIZHANG
第一章
运动的描述 匀变速直线运动的研究
大一轮复习讲义
自由落体运动和竖直上抛运动 多过程问题
第
3
讲
目标
要求
1.掌握自由落体运动和竖直上抛运动的特点,知道竖直上抛运动的对称性和多解性.2.能灵活处理多过程问题.
内容索引
考点一 自由落体运动
考点二 竖直上抛运动
课时精练
考点三 匀变速直线运动中的多物体和多过程问题
3
考点一
自由落体运动
4
自由落体运动
(1)运动特点:初速度为 ,加速度为 的匀加速直线运动.
(2)基本规律:
0
g
梳理
必备知识
匀变速直线运动 自由落体运动
v=v0+at v=gt
v2-v02=2ax v2=2gh
1.重的物体总是比轻的物体下落得快.( )
2.同一地点,轻重不同的物体的g值一样大.( )
3.自由落体加速度的方向垂直地面向下.( )
4.做自由落体运动的物体在1 s内速度增加约9.8 m/s.( )
5.不计空气阻力,物体从某高度由静止下落,任意两个连续相等的时间间隔T内的位移之差恒定.( )
√
×
×
√
√
判断正误
应用自由落体运动规律解题时的两点注意
(1)自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动,可利用比例关系及推论等规律解题.
①从开始下落,连续相等时间内下落的高度之比为1∶3∶5∶7∶….
②Δv=gΔt.相等时间内,速度变化量相同.
③连续相等时间T内下落的高度之差Δh=gT2.
(2)物体由静止开始的自由下落过程才是自由落体运动,从中间截取的一段运动过程不是自由落体运动,等效于竖直下抛运动,应该用初速度不为零的匀变速直线运动规律去解决此类问题.
提升
关键能力
例1 如图所示,木杆长5 m,上端固定在某一点,由静止放开后让它自由落下(不计空气阻力),木杆通过悬点正下方20 m处的圆筒AB,圆筒AB长为5 m,取g=10 m/s2,求:
(1)木杆通过圆筒的上端A所用的时间t1;
考向1 自由落体运动基本公式的应用
木杆由静止开始做自由落体运动,
设木杆的下端到达圆筒上端A所用的时间为t下A
设木杆的上端到达圆筒上端A所用的时间为t上A
则木杆通过圆筒上端A所用的时间
(2)木杆通过圆筒AB所用的时间t2.
设木杆的上端到达圆筒下端B所用的时间为t上B,
例2 对于自由落体运动(g=10 m/s2),下列说法正确的是
A.在前1 s内、前2 s内、前3 s内的位移大小之比是1∶3∶5
B.在相邻两个1 s内的位移之差都是10 m
C.在第1 s内、第2 s内、第3 s内的平均速度大小之比是1∶2∶3
D.在1 s末、2 s末、3 s末的速度大小之比是1∶3∶5
考向2 自由落体运动中的“比例关系”问题
√
在前1 s内、前2 s内、前3 s内的位移大小之比是1∶4∶9,故A错误;
在相邻两个1 s内的位移之差都是Δx=gT2=10 m,故B正确;
在第1 s内、第2 s内、第3 s内的位移大小之比为1∶3∶5,所以平均速度大小之比为1∶3∶5,故C错误;
在1 s末、2 s末、3 s末的速度大小之比是1∶2∶3,故D错误.
例3 从高度为125 m的塔顶先后自由释放a、b两球,自由释放这两个球的时间差为1 s,g取10 m/s2,不计空气阻力,以下判断正确的是
A.b球下落高度为20 m时,a球的速度大小为20 m/s
B.a球接触地面瞬间,b球离地高度为5 m
C.在a球接触地面之前,两球速度差恒定
D.在a球接触地面之前,两球离地的高度差恒定
考向3 自由落体运动中的“两物体先后下落”问题
√
由自由落体的规律可得,在a球接触地面之前,两球的速度差恒定,两球离地的高度差变大,故C正确,D错误.
自由落体运动中的两个物体先后从同一高度下落,两物体加速度相同,故先下落物体相对后下落物体做匀速直线运动,两者的距离随时间均匀增大.
方法点拨
考点二
竖直上抛运动
17
竖直上抛运动
(1)运动特点:初速度方向竖直向上,加速度为g,上升阶段做匀减速运动,下降阶段做 运动.
(2)基本规律
①速度与时间的关系式: ;
自由落体
v=v0-gt
梳理
必备知识
1.物体做竖直上抛运动,速度为负值时,位移也一定为负值.
( )
2.做竖直上抛运动的物体,在上升过程中,速度变化量方向是竖直向下的.( )
√
×
判断正误
1.重要特性
(1)对称性
①时间对称:物体上升过程中从A→C所用时间tAC和下降过程中从C→A所用时间tCA相等(如图),同理tAB=tBA.
②速度对称:物体上升过程经过A点的速度与下降过程经过A点的速度大小相等.
提升
关键能力
(2)多解性:当物体经过抛出点上方某个位置时,可能处于上升阶段,也可能处于下降阶段,造成多解,在解决问题时要注意这个特性.
2.研究方法
分段法 上升阶段:a=g的匀减速直线运动
下降阶段:自由落体运动
全程法 初速度v0向上,加速度为-g的匀变速直线运动,v=v0-gt,h=v0t- gt2(以竖直向上为正方向)
若v>0,物体上升;若v<0,物体下落
若h>0,物体在抛出点上方;若h<0,物体在抛出点下方
例4 气球以10 m/s的速度沿竖直方向匀速上升,当它上升到离地175 m的高处时,一重物从气球上掉落,则重物需要经过多长时间才能落到地面?到达地面时的速度是多大?(g取10 m/s2,不计空气阻力)
考向1 竖直上抛运动的两种研究方法
答案 7 s 60 m/s
解法一:全程法
取全过程进行研究,从重物自气球上掉落开始计时,经时间t落地,规定初速度方向为正方向,画出运动过程草图,如图所示.
重物在时间t内的位移h=-175 m
将h=-175 m,v0=10 m/s代入
解得t=7 s或t=-5 s(舍去)
所以重物落地时速度为
v=v0-gt=10 m/s-10×7 m/s=-60 m/s
其中负号表示方向竖直向下,与初速度方向相反.
解法二:分段法
设重物离开气球后,经过t1时间上升到最高点,
故重物离地面的最大高度为
H=h1+h=5 m+175 m=180 m
v=gt2=10×6 m/s=60 m/s(方向竖直向下)
所以重物从气球上掉落到落地的时间t=t1+t2=7 s.
例5 一个从地面上竖直上抛的物体,它两次经过一个较低点A的时间间隔是5 s,两次经过一个较高点B的时间间隔是3 s,则A、B之间的距离是(不计空气阻力,g=10 m/s2)
A.80 m B.40 m
C.20 m D.无法确定
√
考向2 竖直上抛运动的对称性
例6 在某塔顶上将一物体竖直向上抛出,抛出点为A,物体上升的最大高度为20 m,不计空气阻力,设塔足够高,重力加速度取g=10 m/s2,求:
(1)物体抛出的初速度大小;
考向3 竖直上抛运动的多解性
答案 20 m/s
设物体抛出的初速度大小为v0,根据速度位移关系可得
v02=2gh
解得v0=20 m/s
(2)物体位移大小为15 m时,物体的运动时间;
解得t1=1 s,t1′=3 s
(3)若塔高H=105 m,物体从抛出到落到地面的时间.
答案 7 s
解得t3=7 s,t3′=-3 s(舍去).
考点三
匀变速直线运动中的多物体和多过程问题
1.多物体问题
研究多物体在空间上重复同样的运动时,可利用一个物体的运动取代多物体的运动,照片中的多个物体认为是一个物体在不同时刻所处的位置,如水龙头滴水、直升机定点空降、小球在斜面上每隔一定时间间隔连续释放等,均可把多物体问题转化为单物体问题求解.
2.多过程问题
(1)一般的解题步骤
①准确选取研究对象,根据题意画出物体在各阶段运动的示意图,直观呈现物体运动的全过程.
②明确物体在各阶段的运动性质,找出题目给定的已知量、待求未知量,设出中间量.
③合理选择运动学公式,列出物体在各阶段的运动方程及物体各阶段间的关联方程.
(2)解题关键
多运动过程的连接点的速度是联系两个运动过程的纽带,因此,对连接点速度的求解往往是解题的关键.
例7 如图甲所示为哈尔滨冰雪大世界游客排队滑冰滑梯的场景,在工作人员的引导下,每间隔相同时间从滑梯顶端由静止开始滑下一名游客,将某次拍到的滑梯上同时有多名游客的照片简化为如图乙所示,已知AB和BC间的距离分别为2.5 m和
3.5 m,求:
(1)CD间距离多远;
答案 4.5 m
游客在滑梯上做匀加速直线运动,根据匀加速直线运动的规律可知,在相邻相等时间内位移差相等,即CD-BC=BC-AB,解得CD=4.5 m.
(2)此刻A的上端滑道上还有几人;
答案 2人
相邻两人间的距离差为1 m,所以此刻A的上端滑道上还有2人.
(3)此时A距滑道顶端多远.
答案 2 m
设相邻两名游客的时间间隔为T,下滑的加速度为a,
则有Δs=CD-BC=aT2,即aT2=1 m,
例8 (2023·河北省名校联盟联考)一质点做匀变速直线运动,初速度大小为v,经过一段时间速度大小变为2v,加速度大小为a,这段时间内的路程与位移大小之比为5∶3,则下列叙述正确的是
A.在该段时间内质点运动方向不变
D.再经过相同的时间,质点速度大小为3v
√
由于质点通过的路程与位移不同,故质点先做减速运动,减速到零后再做反向的加速运动,A错误;
再经过相同的时间,速度再增加3v,质点速度大小变为v′=2v+3v=5v,D错误.
例9 (2023·陕西榆林市调研)高铁被誉为中国“新四大发明”之一,因高铁的运行速度快,对制动系统的性能要求较高,高铁列车上安装有多套制动装置——制动风翼、电磁制动系统、空气制动系统、摩擦制动系统等.在一段直线轨道上,某高铁列车正以v0=288 km/h的速度匀速行驶,列车长突然接到通知,前方x0=5 km处道路出现异常,需要减速停车.列车长接到通知后,经过t1=2.5 s将制动风翼打开,高铁列车获得a1=0.5 m/s2
的平均制动加速度减速,减速t2=40 s后,列车长再将电磁制动系统打开,结果列车在距离异常处500 m的地方停下来.
(1)求列车长打开电磁制动系统时,列车的速度大小;
答案 60 m/s
设经过t2=40 s时,列车的速度大小为v1,又v0=288 km/h=80 m/s,
则打开制动风翼后,减速过程有v1=v0-a1t2=60 m/s.
(2)求制动风翼和电磁制动系统都打开时,列车的平均制动加速度大小a2.
答案 1.2 m/s2
列车长接到通知后,经过t1=2.5 s,列车行驶的距离x1=v0t1=200 m,
从打开电磁制动系统后,列车行驶的距离
x3=x0-x1-x2-500 m=1 500 m,
四
课时精练
1.(2021·湖北卷·2)2019年,我国运动员陈芋汐获得国际泳联世锦赛女子单人10米跳台冠军.某轮比赛中,陈芋汐在跳台上倒立静止,然后下落,前5 m完成技术动作,随后5 m完成姿态调整.假设整个下落过程近似为自由落体运动,重力加速度大小取10 m/s2,则她用于姿态调整的时间约为
A.0.2 s B.0.4 s C.1.0 s D.1.4 s
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基础落实练
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陈芋汐下落的整个过程所用的时间为
下落前5 m的过程所用的时间为
则陈芋汐用于姿态调整的时间约为t2=t-t1=0.4 s,故B正确.
2.(2023·江苏高邮市第一中学高三开学考试)一小球做自由落体运动,落地前40 m所用的时间为2 s,g取10 m/s2,则小球落地的速率为
A.30 m/s B.35 m/s
C.40 m/s D.45 m/s
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又 = ,这段时间的中间时刻的瞬时速度为 =20 m/s,从该中间时
刻又经过t1=1 s,小球落地.
小球落地的速率v1= +gt1=20 m/s+10×1 m/s=30 m/s,B、C、D错误,A正确.
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4.(2023·江苏省马坝高中高三阶段检测)以8 m/s的初速度从地面竖直上抛一石子,该石子两次经过小树顶端的时间间隔为0.8 s,g取10 m/s2,则小树高约为
A.0.8 m B.1.6 m
C.2.4 m D.3.2 m
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6.(2023·河南省名校联盟高三联考)在利用频闪相机研究自由下落物体的运动时,将一可视为质点的小球从O点由静止释放的同时频闪相机第一次曝光,再经连续三次曝光,得到了如图所示的频闪相片,已知曝光时间间隔为0.2 s,不考虑一切阻力.如果将小球从照片中的A点由静止释放,则下列说法正确的是
A.小球由A到B以及由B到C的时间小于0.2 s
B.小球通过B点和C点时的速度关系为vB∶vC=1∶2
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小球从O点由静止下落,经过各段的时间都是0.2 s,所以OA、AB、BC三段的高度之比为1∶3∶5,如果小球从A点开始由静止释放,由于AB间距离大于OA间距离,所以通过AB、BC段的时间均大于0.2 s,故A错误;
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7.(2023·安徽省江淮十校联考)如图所示,地面上方离地面高度分别为h1=6L、h2=4L、h3=3L的三个金属小球a、b、c,若先后释放a、b、c,三球刚好同时落到地面上,不计空气阻力,重力加速度为g,则
A.b与a开始下落的时间差等于c与b开始下落的时间差
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D.三小球到达地面时的速度大小之比是6∶4∶3
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8.在地质、地震、勘探、气象和地球物理等领域的研究中,需要精确的重力加速度g值,g值可由实验精确测得,近年来测g值的一种方法叫“对称自由下落法”,它是将测g值转变为测长度和时间,具体做法是:将真空长直管沿竖直方向放置,自其中O点上抛小球又落到原处的时间记为T2,在小球运动过程中经过比O点高H的P点,小球离开P点到又回到P点所用的时间记为T1,测得T1、T2和H,可求得g值等于
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能力综合练
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9.(2023·云南昆明市一中模拟)一种比飞机还要快的旅行工具即将诞生,称为“第五类交通方式”,它就是“Hyperloop(超级高铁)”(如图).速度高达一千多公里每小时.如果乘坐Hyperloop从A地到B地,600公里的路程需要42分钟,Hyperloop先匀加速达到最大速度1 200 km/h后匀速运动,快进站时再匀减速运动,且加速与减速的加速度大小相等,则下列关于Hyperloop的说法正确的是
A.加速与减速的时间不一定相等
B.加速时间为10分钟
C.加速过程中发生的位移为150公里
D.加速时加速度大小约为0.46 m/s2
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设加速和减速时间均为t,运动总时间为t0,
代入数据解得t=12 min,故B错误;
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10.在离水平地面高H处,以大小均为v0 的初速度同时竖直向上和向下抛出甲、乙两球,不计空气阻力,下列说法中正确的是
A.甲球相对乙球做匀变速直线运动
B.在落地前甲、乙两球间距离均匀增大
C.两球落地的速度差与v0、H有关
D.两球落地的时间差与v0、H有关
√
甲、乙两球加速度相同,故甲球相对于乙球做匀速直线运动,在落地前二者距离不断均匀增大,A错误,B正确;
根据竖直上抛的对称性,甲球回到抛出点时速度大小为v0 ,方向竖直向下,两球落地的速度差为零,与v0、H均无关,C错误;
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11.如图所示,一杂技演员用一只手抛球、接球,他每隔0.4 s抛出一球,接到球便立即把球抛出.已知除了抛、接球的时刻外,空中总有4个球,将球的运动近似看作是竖直方向的运动,球到达的最大高
度是(高度从抛球点算起,不计空气阻力,取g=10 m/s2)
A.1.6 m B.2.4 m C.3.2 m D.4.0 m
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由题图所示的情形可以看出,四个球在空中的位置与一个球抛出后每隔0.4 s对应的位置是相同的,即可看作一个球的竖直上抛运动,由此可知球抛出后到达最高点和从最高点落回抛出点的时间均为t=0.8 s,
12.城市高层建筑越来越多,高空坠物事件时有发生.假设某公路边的高楼距地面高H=47 m,往外凸起的阳台上的花盆因受到扰动而掉落,掉落过程可看作自由落体运动.阳台下方有一辆长L1=8 m、高h=2 m的货车,以v0=9 m/s的速度匀速直行,要经过阳台的正下方.花盆刚开始下落时货车车头距花盆的水平距离为L2=24 m(示意图如图所示,花盆可视为质点,重力加速度g=10 m/s2).
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素养提升练
(1)若司机没有发现花盆掉落,货车保持速度v0匀速直行,请计算说明货车是否被花盆砸到;
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答案 货车会被花盆砸到
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花盆落下到达车顶过程,
位移为h0=(47-2) m=45 m
在这段时间内汽车位移大小为x=v0t=27 m
由于L2<x<L1+L2,货车会被花盆砸到.
(2)若司机发现花盆掉落,采取制动(可视为匀变速,司机反应时间Δt=1 s)的方式来避险,使货车在花盆砸落点前停下,求货车的最小加速度;
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答案 2.7 m/s2
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货车匀减速运动的距离为L2-v0Δt=15 m
设制动过程中最小加速度为a0,
由v02=2a0(L2-v0Δt),解得a0=2.7 m/s2
(3)若司机发现花盆掉落,采取加速(可视为匀变速,司机反应时间Δt=1 s)的方式来避险,则货车至少以多大的加速度才能避免被花盆砸到?
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答案 2.5 m/s2
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司机反应时间内货车的位移大小为x1=v0Δt=9 m
此时车头离花盆的水平距离为d=L2-x1=15 m
采取加速方式,要成功避险,
则加速运动的位移大小为x2=d+L1=23 m,加速时间为t′=t-Δt=2 s
设货车加速度大小至少为a才能避免被花盆砸到,
代入数据解得a=2.5 m/s2,
即货车至少以2.5 m/s2的加速度加速才能避免被花盆砸到.
x=v0t+at2
h=gt2
答案 (2-) s
t1=t上A-t下A=(2-) s
h下A=gt下A2,h下A=20 m-5 m=15 m
解得t下A= s
h上A=gt上A2,解得t上A=2 s
答案 (-) s
则木杆通过圆筒所用的时间t2=t上B-t下A=(-) s.
则h上B=gt上B2,h上B=20 m+5 m=25 m
解得t上B= s,
b球下落高度为20 m时,t1== s=2 s,则a球下降了3 s,
a球的速度大小为v=30 m/s,故A错误;
a球下降的总时间为t2= s=5 s,此时b球下降了4 s,b球的下降高度为h′=×10×42 m=80 m,故b球离地面的高度为hB=(125-80) m=45 m,故B错误;
②位移与时间的关系式:x=v0t-gt2.
h=v0t-gt2
则t1== s=1 s
上升的最大高度h1=gt12=×10×12 m=5 m
重物从最高处自由下落,落地时间和落地速度分别为t2==s=6 s
物体做竖直上抛运动,根据运动时间的对称性得,物体从最高点自由下落到A点的时间为,从最高点自由下落到B点的时间为,A、B间距离为hAB=g[()2-()2]=×10×(2.52-1.52) m=20 m,故选C.
解得t2=(2+) s,t2′=(2-) s(舍去)
答案 1 s,3 s,(2+) s
当物体的位移大小为15 m时,若在抛出点上方,则有x=v0t1-gt12
若在抛出点下方,则有-x=v0t2-gt22
若塔高H=105 m,物体从抛出到落到地面的时间-H=v0t3-gt32
A此时的速度为vA== m/s,联立两式解得vA=2aT,
此时A距滑道顶端s==2aT2=2 m.
B.这段时间为
C.这段时间该质点运动的路程为
速度变化量大小为Δv=v-(-2v)=3v,因此所用时间t==,B错误;
减速的过程中运动的路程s1=,反向加速运动的路程s2=,因此总路程为s=s1+s2=,C正确;
从打开制动风翼到打开电磁制动系统的过程中,列车行驶的距离x2==2 800 m,
则a2==1.2 m/s2.
t== s≈1.4 s
t1== s=1 s
落地前40 m的平均速度为== m/s=20 m/s,
3.(2019·全国卷Ⅰ·18)如图,篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为H.上升第一个所用的时间为t1,第四个所用的时间为t2.不计空气阻力,则满足
A.1<<2 B.2<<3
C.3<<4 D.4<<5
由逆向思维和初速度为零的匀加速直线运动比例式可知==2+,即3<<4,选项C正确.
石子竖直上升的最大高度为H==3.2 m,
由题意可知,石子从最高点运动到小树顶端的时间为t1==0.4 s,
则最高点到小树顶端的距离为h1=gt12=0.8 m,则小树高约为h=H-h1=2.4 m,故选C.
5.两物体从不同高度自由下落,同时落地,第一个物体下落时间为t,第二个物体下落时间为,当第二个物体开始下落时,两物体相距(重力加速度为g)
A.gt2 B.gt2 C.gt2 D.gt2
根据h=gt2,知第一个物体和第二个物体下落的总高度分别为gt2和,
两物体未下落时相距,第二个物体在第一个物体下落后开始下落,
此时第一个物体下落的高度h1=g()2=,
所以当第二个物体开始下落时,两物体相距Δh=gt2-gt2=gt2,故D正确,A、B、C错误.
C.小球由A到B以及由B到C的过程中平均速度的关系为AB∶BC=3∶5
D.小球通过B点时的速度vB和由A到C的平均速度AC的关系为vB>AC
设AB间距离为3h,则BC间的距离为5h,所以AC间的距离为8h,通过B点时的速度为vB=,小球通过C点时的速度为vC=,则vB∶vC=∶4,故B错误;
由于AB、BC段的高度之比为3∶5,但是通过两段的时间不相等,根据=可知,平均速度之比不是3∶5,故C错误;
AC=vC=2,所以vB>AC,故D正确.
B.a、b、c三小球运动时间之比为∶2∶1
C.a比b早释放的时间为2(-)
由h=gt2得,ta=,tb=,tc=,
则(ta-tb)>(tb-tc),a、b、c三小球运动时间之比为
∶2∶,
a比b早释放的时间为Δt=ta-tb=2(-),
A、B错误,C正确;
根据v2=2gh得,三小球到达地面时的速度大小之比是 ∶2∶,D错误.
A. B. C. D.
根据竖直上抛运动的对称性,有g(T2)2-g(T1)2=H,解得g=,故选A.
加速与减速的加速度大小相等,根据t=可知,加速与减速的时间一定相等,故A错误;
则2×t+vm(t0-2t)=s,
加速位移为x加=t=120 km,故C错误;
加速度大小a=≈0.46 m/s2,故D正确.
由竖直上抛的对称性可知,两球落地的时间差Δt=,与v0 有关,与H无关,D错误.
故有Hm=gt2=3.2 m,C正确.
花盆做自由落体运动,有h0=gt2,解得t=3 s
则有x2=v0·t′+at′2
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