2.4 自由落体运动 课件 -2026-2027学年高一上学期物理人教版必修第一册

该高中物理课件围绕自由落体运动，系统讲解定义、条件、重力加速度及运动规律，通过亚里士多德与伽利略观点对比导入，结合比萨斜塔、月球落体实验建立与匀变速直线运动的联系，搭建学习支架。 其亮点在于融合科学探究与科学思维，通过打点计时器、频闪照相等实验探究重力加速度，结合雨滴下落、高空坠物等典例培养模型建构与推理能力，渗透伽利略研究方法的科学态度。学生能提升实验与应用能力，教师可获得系统教学资源与多样化活动设计。

4　自由落体运动 核心素养点击 物理观念 (1)了解亚里士多德关于物体下落运动的主要观点 (2)知道物体做自由落体运动的条件 (3)了解重力加速度的概念，掌握其大小、方向，知道地球上不同地点的重力加速度可能会不同 科学思维 (1)理解重力加速度的特点 (2)理解自由落体运动的规律及应用 科学探究 (1)了解伽利略通过逻辑推理与实验相结合的方法研究自由落体运动 (2)通过实验探究自由落体运动，经历抽象概括和推理的过程 (3)通过实验探究自由落体运动的规律 科学态度与责任 认识伽利略的科学研究方法对科学发展和人类进步的作用和重大意义 续表 重力 静止 空气阻力 空气阻力 自由落体 2．判断 (1)竖直下落的运动就是自由落体运动。 ( ) (2)物体只在重力作用下的运动是自由落体运动。 ( ) (3)棉花团由静止下落的运动可以看成自由落体运动。 ( ) (4)屋檐滴下的水滴下落的运动可以看成自由落体运动。 ( ) × × × √ 相同 自由落体加速度 重力加速度 竖直 不同 9.8 10 0 g gt 2．想一想 观察下列两幅图片，思考有关问题： 图2.4-1 (1)图2.4-1甲为著名的比萨斜塔，伽利略曾在这里让重的铁球和轻的铁球同时下落，发现两球几乎同时落地。简单解释为什么。 (2)图2.4-1乙中宇航员在月球上的“实验”：铁球与羽毛同时由静止释放，同时落地。简单解释为什么。 主题探究(一)　对自由落体运动及自由落体加速度的理解 【重点诠释】 1．对自由落体运动的理解 (1)条件：①初速度为0，②只受重力。 图2.4-2 (2)运动性质：是初速度v0＝0、加速度a＝g的匀加速直线运动。 (3)v-t图像：是一条过原点的倾斜直线(如图2.4-2所示)，斜率k＝g。 [特别提醒] (1)自由落体运动是一种理想化模型。 (2)只有当空气阻力比重力小得多，可以忽略时，物体从静止下落的运动才可以视为自由落体运动。　　　　 2．对自由落体加速度(重力加速度)的理解 (1)方向：竖直向下。 (2)大小 ①在同一地点，重力加速度都相同。与物体的质量、大小等因素均无关。 ②其大小与在地球上的纬度、距地面的高度有关。 与纬度的关系 a.在地球表面，重力加速度随纬度的增加而增大 b．赤道处重力加速度最小，两极处重力加速度最大，但差别不大 与高度的关系 a.在地面上的同一地点，重力加速度随高度的增加而减小 b．在距离地面高度不太高的范围内，可认为重力加速度的大小不变 [特别提醒] (1)重力加速度的方向既不能说是垂直向下，也不能说是指向地心，只有在赤道或两极时重力加速度的方向才指向地心。 (2)物体在其他星球上也可以做自由落体运动，但不同天体表面的重力加速度不同。　　　　 典例1　关于物体做自由落体运动的重力加速度g值，下列说法中正确的是(　　) A．重的物体g值大 B．同一地点，轻、重物体的g值一样大 C．g值在地球上任何地方都一样大 D．g值在赤道处大于北极处 [解析]　g值与物体轻重无关，A错误，B正确；g值在地球上不同地方大小不同，在赤道处小于北极处，C、D错误。 [答案]　B 【素养训练】 1．在真空中，将苹果和羽毛同时从同一高度由静止释放，图2.4-3中频闪照片中符合事实的是 (　　) 图2.4-3 答案：C　 2．(多选)伽利略曾经假设了两种匀变速运动：第一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等；第二种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。那么，关于自由落体运动速度的变化情况，下列说法正确的是 (　　) A．经过相同的时间，速度的变化相等 B．经过相同的时间，速度的变化不等 C．经过相同的位移，速度的变化相等 D．经过相同的位移，速度的变化不等 答案：AD 主题探究(二)　自由落体运动的规律及应用 [问题驱动] 如图2.4-4所示，漫画中的人用石头来估测水井的深度。你认为有道理吗？为什么？ 图2.4-4 【重点诠释】 1．三个基本公式 2．匀变速直线运动的一切推论公式，如平均速度公式、中间位置的瞬时速度公式、逐差相等公式、初速度为0的匀加速直线运动的比例式，都适用于自由落体运动。 [特别提醒] (1)自由落体运动的运动时间由下落的高度决定。 (2)自由落体运动中下落的高度与离地高度是两个不同的概念，处理问题时要注意区分。　　　　 典例2　小敏在学过自由落体运动规律后，对自家房上下落的雨滴产生了兴趣，她坐在窗前发现从屋檐每隔相等时间滴下一滴雨，当第5滴雨正欲滴下时，第1滴雨刚好落到地面，而第3滴雨与第2滴雨分别位于高1 m的窗子的上、下沿。小敏同学在自己的作业本上画出了如图2.4-5所示的雨滴下落同自家房子的关系，其中2点和3点之间的小矩形线框表示小敏正对的窗子(g取10 m/s2)，求： 图2.4-5 [答案]　(1)0.2 s　(2)3.2 m 【素养训练】 3．(2024·广西高考)让质量为1 kg的石块P1从足够高处自由下落，P1在下落的第1 s末速度大小为v1，再将P1和质量为2 kg的石块绑为一个整体P2，使P2从原高度自由下落，P2在下落的第1 s 末速度大小为v2，g取10 m/s2，则(　　) A．v1＝5 m/s　　　　　 B．v1＝10 m/s C．v2＝15 m/s D．v2＝30 m/s 解析：重物自由下落做自由落体运动，加速度与质量无关，则下落1 s后速度大小为v1＝v2＝gt＝10 m/s2×1 s＝10 m/s。故选B。 答案：B　 主题探究(三)　测量重力加速度的方法 【重点诠释】 1．打点计时器法 (1)实验装置如图2.4-6所示。打点计时器固定在铁架台上，纸带一端系着重物，另一端穿过电磁打点计时器。用夹子夹住纸带，启动电磁打点计时器，松开夹子后重物自由下落，选择打出点迹清晰的纸带。 　　 图2.4-6 3．滴水法 (1)如图2.4-7所示，让水滴自水龙头滴下，在水龙头正下方放一个盘，调节水龙头，让水一滴一滴地滴下，并调节使第一滴水碰到盘的瞬间，第二滴水正好从水龙头开始下落，并且能依次持续下去。 图2.4-7 (2)用刻度尺测出水龙头距盘面的高度h。 C．开始时应使重物靠近打点计时器处并保持静止 D．操作时，应先释放纸带后接通电源 E．为了便于测量，一定要找到电磁打点计时器打下的第一个点，并选取其以后各连续的点作为计数点 (2)如图2.4-9所示是某同学在实验中得到的一条较为理想的纸带。把开头几个模糊不清的点去掉，以较清晰的某一个点作为计数点1，随后连续的几个点依次标记为点2、3、4。测量出各点间的距离已标在纸带上，已知电磁打点计时器的打点周期为0.02 s。电磁打点计时器打出点2时重物的瞬时速度为______m/s，重物做自由落体运动的加速度的大小约为________m/s2。(结果保留三位有效数字) 图2.4-9 [答案]　(1)BC　(2)0.385　9.50 答案：9.72　9.84 一、培养创新意识和创新思维 唐代大诗人李白的诗句“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”，如图2.4-11所示，描述了庐山瀑布的美景。已知古代的“三尺”为1 m，若诗句中的“三千尺”为瀑布的高度，水的下落运动视为自由落体运动，g取10 m/s2，求： (1)瀑布顶端的水落到地面的速度大小。 (2)请简要分析计算结果是否合理。 图2.4-11 二、注重学以致用和思维建模 高空坠物常会造成极大的危害。某高楼住户，有一花盆从距地面20 m处自由落下。重力加速度g取10 m/s2，不计空气阻力，花盆经过多长时间落到地面？到达地面时的速度有多大？请根据计算结果查找相关资料，讨论高空坠物的危害并提出防止高空坠物的建议。 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测（十）” (单击进入电子文档) 40 一、自由落体运动 1．填一填 (1)定义：物体只在______作用下从_____开始下落的运动。 (2)条件： (3)实际落体运动的处理 ①一般情况下，物体下落时所受的_________不能忽略，物体由静止下落的运动不能看成自由落体运动； ②当__________可以忽略时，物体由静止下落的运动可以近似看成_________运动。 二、自由落体加速度 填一填 (1)定义：在同一地点，一切物体自由下落的加速度都______，这个加速度叫作________________，也叫_____________。 (2)方向：_____向下。 (3)大小：在地球上同一个地点，g的大小一定；在地球表面不同的地方，g的大小一般是______的。在一般的计算中，g可以取_____m/s2或____m/s2。 三、自由落体运动的规律 1．填一填 (1)自由落体运动是初速度为____、加速度为____的匀加速直线运动。 (2)把初速度v0＝0和加速度a＝g分别代入匀变速直线运动的速度与时间的关系式和位移与时间的关系式中，可以得到自由落体的速度、位移与时间的 关系式分别为v＝____，x＝________。 gt2 提示：空气阻力对两个铁球的运动的影响可以忽略，两个铁球下落可以看成自由落体运动，由公式h＝gt2可知二者下落时间相同。 提示：月球表面没有空气，铁球与羽毛都做自由落体运动，由公式h＝gt2可知二者下落时间相同。 解析：在真空中物体只受重力作用，下落时的加速度相同，由于物体从静止开始下落，根据h＝gt2可知，苹果和羽毛从同一高度同时下落，故任意时刻都在同一高度；由于都做自由落体运动，故频闪间距不断变大，故C正确，A、B、D错误。 解析：自由落体运动是一种匀变速直线运动，其加速度恒为g，由g＝可知，经过相同的时间，速度的变化相等，A正确，B错误；由v2＝2gx可知，Δx＝(Δv)2，即经过相同的位移，速度的平方变化相等，但速度的变化不等，C错误，D正确。 提示：石头被释放后在水井中下落的过程可以认为是自由落体运动，由h＝gt2可知，只要测出石头下落至水面的时间t，即可算出水井的深度。因声音在空气中的传播速度较大，石头落水声上传至人耳的时间可以忽略，故从石头开始下落到听到石头落水声的时间可认为等于石头自由下落的时间t。综上所述，漫画中的人用石头来估测水井的深度是合理的。　　　　 两种运动 匀变速直线运动 自由落体运动 速度公式 v＝v0＋at v＝gt 位移公式 x＝v0t＋at2 h＝gt2 速度与位移关系式 v2－v02＝2ax v2＝2gh (1)雨滴下落的时间间隔； (2)此屋檐离地面多高。 [解析]　方法一：基本公式法 设屋檐离地面高为h，雨滴下落间隔为T。 由位移公式h＝gt2得， 第2滴雨下落的位移h2＝g(3T)2， 第3滴雨下落的位移h3＝g(2T)2， 且h2－h3＝1 m，解得T＝0.2 s， 则屋檐高h＝g·(4T)2＝3.2 m。 方法二：比例法 由于初速度为0的匀加速直线运动从开始运动起，在连续相等的时间间隔内的位移之比为1∶3∶5∶…∶(2n－1)，所以相邻两雨滴之间的间距从上到下依次是1s、3s、5s、7s。 由题意知，窗子高为5s，则5s＝1 m，s＝0.2 m， 屋檐高h＝1s＋3s＋5s＋7s＝16s＝3.2 m。 由s＝gt2得连续两滴雨下落的时间间隔t＝ ＝0.2 s。 方法三：平均速度法 设连续两滴雨下落的时间间隔为T，则雨滴经过窗户过程中的平均速度为＝。其中h＝1 m。 由于雨滴在2.5 T时的速度v2.5＝2.5gT， 又v2.5＝，所以＝2.5 gT， 解得T＝0.2 s，屋檐高h＝g·(4T)2＝3.2 m。 4．物体从h高度处做自由落体运动，经时间t到达地面，落地速度大小为v，那么当物体下落时间为时，物体的速度和距离地面的高度分别是(　　) A.， B.， C.， D.， 解析：根据v＝gt可知，在时和t时的速度比为1∶3，所以时的速度为；根据公式h＝gt2可知，在0～内和0～t内的位移比为1∶9，所以0～内的位移为，此时距离地面的高度为，故D正确，A、B、C错误。 答案：D　 (2)对纸带上计数点间的距离h进行测量，利用g＝求出重力加速度。 [特别提醒] (1)为尽量减小空气阻力的影响，应选体积小、密度大的重物。 (2)打点计时器应竖直固定好。 (3)重物应靠近打点计时器释放，且要先接通打点计时器的电源再释放重物。 (4)改变重物的质量，重复打出几条纸带。 (5)选点迹清晰且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带分析探究。　　　 2．频闪照相法 频闪照相机可以每间隔相等的时间拍摄一次，利用频闪照相机可追踪记录做自由落体运动的物体的位置，根据Δx是否为恒量，可判断自由落体运动是否为匀变速直线运动。根据匀变速直线运动的推论Δx＝aT2可求出重力加速度g＝。由g＝也可求出重力加速度g。 (3)测出每滴水下落的时间T，其方法是：当听到某一滴水滴落在盘上的同时，开启停表开始计时，之后每落下一滴水依次计数1、2、3、…，当数到n时按下停表停止计时，则每一滴水下落的时间T＝。 (4)由h＝gT2，得g＝＝。 [特别提醒] (1)打点计时器法的误差主要来自阻力的影响和测量误差。 (2)频闪照相法和滴水法的误差主要是测量误差。　　　　 　　　利用如图2.4-8所示的装置测量重物做自由落体运动的加速度。 图2.4-8 (1)(多选)对该实验装置及操作的要求，下列说法正确的是________。 A．电磁打点计时器应接220 V交流电源 B．打点计时器的两个限位孔应在同一条竖直线上 [解析]　(1)电磁打点计时器应接约8 V的交流电源，故A错误；电磁打点计时器的两个限位孔应在同一条竖直线上，故B正确；开始时应使重物靠近电磁打点计时器处并保持静止，故C正确；操作时，应先接通电源，再释放纸带，故D错误；为了便于测量，不一定找电 磁打点计时器打出的第一个点，可以从比较清晰的点开始作为计数点，故E错误。 (2)电磁打点计时器打出点2时的瞬时速度等于点1、3间的平均速度，则v2＝＝×10－3 m/s＝0.385 m/s。　　根据Δx＝aT2，得a＝＝ m/s2＝9.50 m/s2。 图2.4-10 解析：由x3－x1＝4at2，得a＝，解得a＝9.72 m/s2，由x2－x1＝2at2，解得x2＝9.84 cm。 【素养训练】 5. 一位同学在研究小球自由落体运动时，用频闪照相连续记录下小球的位置如图2.4-10所示。已知闪光周期为 s，测得x1＝7.68 cm，x3＝12.00 cm，用上述数据通过计算可得小球运动的加速度约为______m/s2，图中x2约为________cm。(结果保留三位有效数字) 解析：(1)可以认为庐山瀑布的水流是做自由落体运动，三尺为1 m，三千尺就是1 000 m，根据v2＝2gh，得v＝ m/s≈140 m/s。 (2)计算结果是不合理的，140 m/s＝504 km/h，实际上这样的速度太大了；结果不合理的原因有两点：一是水流速度较大时下落过程中空气阻力不能忽略，不能看成自由落体运动；二是诗句中的“三千尺”不是瀑布的实际高度。 答案：(1)140 m/s　(2)不合理 解析：将花盆下落视为自由落体运动， 由题意知h＝20 m，g＝10 m/s2， 由h＝gt2得花盆下落的时间t＝＝ s＝2 s， 由速度与时间公式得花盆到达地面的速度大小v＝gt＝20 m/s， 所以，花盆经过2 s落到地面，到达地面时的速度为20 m/s。 由计算结果可以看出，花盆的落地速度大小为20 m/s＝72 km/h。 高空坠物的危害：高空坠物的冲击力是无法想象的，哪怕一个小小的苹果也可能致人死亡，一根小铁钉也可以插入人的大脑，造成植物人或者死亡，一个鸡蛋也可以砸坏人的脑袋。不管是什么物体，下落高度越大，落地速度越大，危害越大。 预防建议：①高层楼房的阳台及窗台安装防护网； ②高层楼房的阳台及窗台不要堆放物品； ③不能通过阳台及窗台向楼下乱扔物品等。 答案：见解析 $