自由落体运动2008-10-16 22:37自由落体运动
教学目的：1、使学生理解自由落体运动的内涵,并使学生能将匀变速直线运动的规律熟练应用于此.
2、使学生在了解不同物体的自由落体运动都有相同加速度的特点的基础上,对自由落体加速度有较深认识.
3、通过对自由落体运动的研究,培养学生运用理论与实验相结合的方法分析解决问题的能力.
教学重点和难点：
自由落体运动的理解.
教具：
1、面积等大的圆形纸片,金属片数张
2、抽气机、牛顿管等.
一、复习提问：
1、匀变速直线运动的特点是什么?它的规律又如何?
2、如何用实验方法来判断一个变速直线运动是匀变直线运动?
看运动物体是否在任意连续相等时间内们移差为恒量,（即Ds=at2）
二、新课教学
1、向学生指出物体自由下落运动是一种常见的运动,（可叫几位学生举例）接着演示粉笔的自由下落运动.
引导学生得出：物体自由下落运动是在重力作用下沿着竖直方向向下的直线运动.
2、下面,我们来看一个实验：
从同一高度同时释放纸片和金属片,可以看到金属片比纸片下落得快,由此我们似乎可以得到结论：物体下落的快慢是由它的重量大小决定的,物体越重,下落得越快.
学生们都能很快否定此结论.接着问,为什么说此结论不正确呢?
让学生讨论：
引导学生从理论和实验两方面来分析验证此观点：
（1）理论分析：
根据上面的结论,一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大.假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当我们把两块石头拴在一起时,下落快的会被下落慢着而减慢.下落慢的会被下落快的拖着而加快.结果整个系统的下落速度应该小于8.可是两块石头拴在一起,加起来比大石头还要重,因此重物体比轻物体的下落速度要小.这样,就从重物体比轻物体下落得快的结论,推出一重物体比轻物体下落得慢的结论.使此结论陷入自相矛盾的境地,由此我们可以推断出重物体不会比轻物体下落得快.
（2）实验验证：
①演示：将上面实验中的纸片揉成团,重做以上实验.（引导学生分析,很容易否定此观点）.
③牛顿管实验
通过上面的理论分析和实验验证,可得结论：物体下落快慢跟物体重量无关,通常看到的物体下落有快慢是由于空气阻力引起的.
2、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.
②条件：只受重力和静止开始（两者同时具备）.
3、自由落体运动是属于什么性质的运动?
①在相等的时间间隔里,小球下落的位移越来越大,表明小球的速度越来越在,表明小球的速度越来越大,即小球在做加速运动.
②让学生测量运动球在相邻位置的距离（按图片上的尺子测量）,并计算相邻的两个距离的差值,可以看出小球在连续相等时间内位移差在实验误差范围内相等,由此可证明自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动.
4、自由落体加速度
在同一地点,从同一高度同时自由下落的同物体,下落快慢相同,同时到达地面.又因为自由落体运动是匀变速直线运动,根据V=at或s=at2均可得到结论：做自由落体运动的不同物体具有相同的加速度.
①定义：在同一地点,做自由落体运动的物体均具有相同的加速度,这个加速度叫自由落体加速度,也叫重力加速度,通常用g表示.
②方向：竖直向下,它的标准什：g=9.8m/s2
③经过对不同地区g值的精确测量,可以发现地球上不同地方g值不同.
三、应用
要想测量井口到井里水面的深度,以便能知道井里水的容量,该如何办呢?
让一石块从井口自由落下,在落下的同时开始计时,测出从井口一井底水面的运动过程所花费的时间,再根据s=gt2即可算出.
四、布置作业
首先你是不是打错字了， 是裸体吗？
如果是落体
落体运动
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这里的落体运动和自由落体运动有所区别。落体运动特别指的是物体在某种介质（空气/水等）中，无初速度下落。当然，落体运动的特殊情况就是自由落体运动，即介质不存在或者无阻力。
假设物体在有空气阻力的情况下无初速度下落，在这个过程中，物体不仅受到重力作用，还收到空气阻力，而且阻力是和物体的速度方向相反的。在一般情况下，阻力大小还与速度大小有关系。
在处理常见的问题时，当速度不是很大，认为阻力大小与速度成正比；如果速度比较大了，则可以认为阻力大小与速度的平方成正比。具体是哪种情况，要根据具体的物理过程来确定。
最常见的一种落体运动——雨点下落。下面以这个物理过程来说明在存在阻力的情况下，落体运动的过程。
在雨点下落过程中，假设所受到的阻力与速度成正比，随着雨点下落，速度逐渐增加，阻力也越来越大，加速度就越来越小。直到阻力与重力大小相等、方向相反的时候，雨点所受到的加速度等于零，它的速度就不再变化了，因此阻力大小也不变了，那么这时候雨点就开始做匀速运动。
从上面的分析过程可以看出，从高空下落的雨点，并不是速度无限增加的。
从另外一个角度再来看这个问题，如果用自由落体运动的模型来研究从高空下落的雨点，当雨点落在地上的时候速度是多少呢？根据公式v^2=2gh，假设高度h是10000m，则落在地上的雨点速度大约是：450m/s，这个速度是很快的。显然我们看到雨点飘落，没有达到这么大的速度。所以，将下落的雨点是不能看作自由落体运动的，必须要考虑雨点下落过程中收到的阻力对速度的影响。
在物理学中，常常将雨点下落到一定程度后做匀速直线运动的速度称为收尾速度。
下面有一道关于收尾速度的题目，可以进一步帮助理解。
题目：当物体从高空下落时，其所受阻力会随物体速度的增大而增大，因此物体下落一段距离后将保持匀速运动状态，这个速度称为此物体下落的收尾速度．研究发现，在相同环境下，球形物体的收尾速度仅与球的半径和质量有关．下表是某次研究的实验数据．
小球编号 A B
C
D
E
小球的半径(×10^－3 m) 0.5 0.5 1.5 2 2.5
小球的质量(×10^－6 kg) 2 5 45 40 100
小球的收尾速度(m/s) 16 40 40 20 32
(1)根据表中的数据，求出B球与C球达到收尾速度时所受的阻力之比．
(2)根据表中的数据，归纳出球形物体所受的阻力f与球的速度大小及球的半径之间的关系．(写出有关表达式，并求出比例系数，重力加速度g取9.8 m/s^2)
(3)现将C球和D球用轻质细线连接，若它们在下落时所受的阻力与单独下落时的规律相同，让它们同时从足够高的同一高度下落，试求出它们的收尾速度，并判断它们落地的顺序(不需要写出判断理由)．
【解析】
(1)球在达到收尾速度时处于平衡状态，有：
f＝mg
则fB∶fC ＝mB ∶mC
代入数据解得：fB∶fC＝1∶9．
(2)由表中A、B两球的有关数据可得，阻力与速度成正比，即f∝v
由表中B、C两球的有关数据可得，阻力与球的半径的平方成正比，即f∝r2
得：f＝kvr2
其中k＝4.9 N·s/m3．
(3)将C球和D球用细线连接后，应满足：
mCg＋mDg＝fC ＋fD
即mCg＋mDg＝kv(r＋r)
代入数据解得：v＝27.2 m/s
比较C、D两小球的质量和半径，可判断出C球先落地
物体只受重力和空气阻力开始下落的运动叫做自由落体运动（其初速度为0）。其规律有Vt^2=2gh。
概念
自由落体的“落体”，顾名思义是指物体从高空下落，关键是“自由”二字，其含意为：其一，物体开始下落时是静止的，即初速度为0，如果给物体一个初速度竖直下落，不能算自由落体，其二，物体在下落过程中，除受重力作用外，不再受其他任何作用力（如空气阻力）。
虽然地球的引力和物体到地球中心距离的平方成反比，但在地面附近，地球的半径远大于自由落体所经过的路程，所以引力在地面附近可看作是不变的，如不考虑大气阻力，自由落体的加速度即是一个不变的常量。它是初速为零的匀加速直线运动，其加速度恒等于重力加速度g。
自由落体的瞬时速度的计算公式为v=gt；位移的计算公式为h=1/2·gt^2。
通常在空气中，随着自由落体运动速度的增加，空气对落体的阻力也逐渐增加。当物体受到的重力等于它所受到的阻力时，落体将匀速降落，此时它所达到的最高速度称为终端速度。例如伞兵从飞机上跳下时，若不张伞其终端速度约为50米/秒，张伞时的终端速度约为6米/秒。
从此中得出的科学研究方法
巧妙的推理
古代的学者们认为，物体下落的快慢是由它们的重量大小决定的，物体越重，下落得越快。生活在公元前4世纪的希腊哲学家亚里士多德最早阐述了这种看法。亚里士多得的论断影响深远，在其后两千多年的时间里，人们一直信奉他的学说。
但是这种从表面上的观察得出的结论实际上是错误的。伟大的物理学家伽利略用简单明了的科学推理，巧妙地揭示了亚里士多德的理论内部包含的矛盾。他在1638年写的《两种新科学的对话》一书中指出：根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢，下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果整个系统的下落速度应该小于8。但是两块石头拴在一起，加起来比大石头还要重，因此重物体比轻物体的下落速度要小。这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体下落得慢的结论。亚里士多德的理论陷入了自相矛盾的境地。伽利略由此推断重物体不会比轻物体下落得快。 伽利略曾在著名的比萨斜塔做了著名的自由落体试验，让两个体积相同，质量不同的球从塔顶同时下落，结果两球同时落地，以实践驳倒了亚里士多德的结论。
提出假说
伽利略认为，自由落体是一种最简单的变速运动。他设想，最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的。但是，速度的变化怎样才算均匀呢？他考虑了两种可能：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；另一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。伽利略假设第一种方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动。
数学推理
在伽利略的时代，技术不够发达，通过直接测定瞬时速度来验证一个物体是否做匀变速运动，是不可能的，但是，伽利略应用数学推理得出结论：做初速度为零的匀变速运动的物体通过的位移与所用时间的平方成正比，即s=at^2这样，只要测出做变速运动的物体通过不同位移所用的时间，就可以验证这个物体是否在做匀变速运动。
伽利略是怎样推出s=gt^2的呢？他的思路大致如下：他推断初速度为零、末速度为v的匀变速运动的平均速度是v/2 ，然后应用这个关系得出s= vt/2。再应用v=at ，就导出s=1/2gt^2 。
另：自由落体运动史初速度为零、加速度为g的匀加速直线运动，它是匀变速直线运动的一个特例。因此，匀变速直线运动的基本公式及推论都适用于自由落体运动，只要把公式中的v0取为零，a换成g即可，即：v1=gt,h=1/2gt^2，v^2=2gh。其中，h为物体由静止下落的高度。
实验验证
自由落体下落的时间太短，当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难，伽利略采用了间接验证的方法，他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下，做了上百次的实验，小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落时的加速度小得多，所以时间容易测量些。实验结果表明，光滑斜面的倾角保持不变， 从不同位置让小球滚下，小球通过的位移跟所用时间的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动，换用不同质量的小球重复上述实验，位移跟所用时间的平方的比值仍不变，这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的。
不断增加大斜面的倾角，重复上述实验，得出的值随斜面倾角的增加而增大，这说明小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。
合理外推
伽利略将上述结果做了合理的外推，把结论外推到斜面倾角增大到90°的情况，这时小球将自由下落，成为自由落体伽利略认为，这时小球仍然会保持匀变速运动的性质。这种从斜面运动到落体运动的外推，是很巧妙的。不过，用外推法得出的结论，并不一定都是正确的。现代物理研究中也常用外推法，但用这种方法得到的结论都要经过实验的验证才能得到承认。
伽利略对自由落体的研究，开创了研究自然规律的科学方法，这就是抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法，这种方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用，至今仍不失为重要的科学方法之一。
有可能的话，不妨重复一下伽利略做过的斜面实验。这里的关键的确是准确测量时间。
（一）广义惯性使牛顿力学进化
爱因斯坦独具慧眼，从司空见惯的现象中及自由落体运动与质量因素无关的经验事实，总结出了等效原理，且明确与准确地说：物体的同一性质按照不同的处境或表现为"惯性"，或表现为"重性"（[3]第55页）。这个同一性就是广义惯性，这个处境就是空间。牛顿第二定律实质是其第一定律涵义的数学表达式。所以，广义惯性的发现，其革命意义是指动摇了牛顿第一定律的核心地位。广义惯性包含了牛顿惯性，所以，又是其进化。同时，也说明了需要建立一个取代牛二律的进化性质的核心命题系统的新力学理论。广义惯性又引出了两种空间及其区别的新问题。这个新问题困扰了爱因斯坦的一生，走了一大圈"弯"路后，在他晚年时，才看到了解决这个问题的曙光--物体具有空间的广延性（[3]第十五版说明），由此"广延性"再往前走一步，就是[2]文说的ρ空间及其区别的标志是其梯度值的有否。这说明还需要一个新的涉及空间的基本概念及与其相对应的原来等效原理所没有涉及到的新的经验事实：物体质量部分的压强梯度现象（注：在固态的具体物体内部，此"压强梯度"表现为"胁强"），也就是爱因斯坦的物体的空间广延性的具体体现。同时也引出了物体的非刚性及其具有内部空间结构的抽象性质（[4]第六章）。于是，"万事俱备"，只欠建立一个新的核心命题系统了。可以说，惯三律就是这个系统。广义惯性是由于把"重性"也归于同牛顿惯性一样的物体属性，所以，其革命意义也主要体现在"重力"方面。"引力"是对重力本质的错误认识。广义惯性与场概念把原来引力中的两个平权的物体分离开来：一个是仅表现广义惯性的一般（非整体）物体；另一个是具有产生重力场的特殊性的中心物体。一般物体与中心物体之间已经没有"力"的关系了。但通过重力场（原来引力场与自转惯性离心力合成的重力场涵义需要改变）有"能"的关系（见此文的"ρ空间与能"一节）。到此为止，广义惯性已经完成了其逻辑任务，即取消了引力及导出了中心物体的特殊性（当然也具有广义惯性的一般性）。这个特殊性的中心物体就是整体天体。于是，广义惯性与整体天体就构成了理论的内部逻辑性（也就是"自圆其说"）。广义惯性取消了惯性质量与引力质量的区别。当然，更没有质量的第三个属性--产生引力场。说重力场是特殊的ρ空间，也有其对应的经验事实，即具有重力场的质量部分的天体，一般都具有密度及压强（也有温度及磁场因素）与中心距离近似反比分布（中聚度）的现象。同时，其现象也表明了这个天体（中心物体）的特殊性。中聚度现象已经是整体性的一种体现。
（二）再看牛顿力学
为什么人们回避牛顿第二定律中的"力"（外力）的反作用力就是物体的惯性力的道理呢？就是因为把重力也当作外力（引力）时，物体本身没有反作用力 --惯性力（重力加速度与物体质量的大小无关），这正是牛顿力学理论内部的不能"自圆其说"的地方，这也正是爱因斯坦所注意的地方。为了回避这矛盾性（无意识的），不得不让其"外力"担当"广义"的力的重任。"力是物体加速运动的原因"这一没有条件限制的观念，是牛顿力学最主要的思维定势。不管是相对的加速运动还是"绝对"的加速运动，人们都在头脑中马上反映出来要乘上物体的质量，使力成为其运动的原因。于是，其直接错误后果就是把非牛顿惯性系内或重力场内的物体"自由"或有阻力的"不自由"的加速运动，也当作有外力（不包括阻力）正在作用之。之所以把非牛顿惯性系中的外力惯性力叫做虚构力，是说明牛顿力学中还有第二个观念："力是物体对物体的直接作用"--这是作用方式力，但有的教材除了摩擦力外，把作用方式力几乎都归结于弹性力则是错误的。又从这第二个观念来看其外力惯性力时，真的不存在另一个物体来表现之，只得权宜称为虚构力。当把重力也当作外力时，发现确实有另一个物体（中心物体）与之对应，这可是"真实"的外力了。麻烦又出现了，这个引力是超距作用性质的力，从作用方式力的观念角度来看时，又难理解了。为了让引力回复到可理解的直接作用性，又引起了从牛顿时代起至今的许多人去虚构在两个超距的物体之间飞来飞去的各种"微粒子"，以此物来担当引力成为直接作用性的重任。引力本来也是虚构力，还要为这虚构的"东西"再虚构一些东西，麻烦可就大了。因为凡是具有质量的物体都具有广义惯性，也可以说是"万有"惯性。之所以惯性力学在力学体系中占有主要及重要的地位，而其他属性（如弹性与磁性等）力学占次要地位，且以"惯性力"作为力的物理单位，也是由于其"万有"的原因。但作为表现广义惯性力的重力的空间（重力场）及场源物体（整体天体）可不"万有"。这两个角度分不开，还会认为重力（引力）"万有"，这又会回到为什么会超距作用的难理解的怪圈。广义惯性使探索"引力作用机制"的研究方向成为毫无意义的方向，是徒劳无功的方向，因为引力本身是由牛二律的局限性而派生出来的虚构的力。
（三）再看广义相对论
爱因斯坦特有的知识结构（马赫哲学、狭义相对论、四维时空、光、场及黎曼几何），决定了他走上了一条充满荆棘的理论之路。马赫的功绩是看到了牛顿力学体系中有一个缺陷，就是物体的运动状态依参考系的不同而有所不同，于是，作为判断牛顿惯性运动的前提也就成为不确定的了（相对性）。不得已，马赫把现象世界的远处的恒星当作其绝对参考系了。马赫的错误就是把牛顿惯性定律中的物体的属性（保持性）与其运动状态问题混在一起了。爱因斯坦受马赫哲学的启发，又发现了等效原理，但同时又继承了马赫的错误。被夸大为改变人们时空观念意义的四维时空，只不过是用"运动"（还是光运动）角度来规定空间的一种方法。规定有结构的空间可有各种方法，其各种方法是平权的。用什么方法来规定空间则取决于理论与实践的需要。如果去掉了"光速"的弯曲时空还有力学意义的话，与牛顿引力定律正是互为补充的关系本体性的场的描述：一个是以广义惯性"运动"的角度的描述；一个是以广义惯性"力"的角度的描述。而牛顿引力势所包含的空间意义，正是中心结构的ρ非均匀空间（重力场）的经验性的描述。终究是"描述"，都不能代替核心命题性质的"表述"。没有明确的命题表述，其描述也就没有明确的理解前提。惯三律与广义相对论都以等效原理为其经验基础。只不过爱因斯坦又走上了光速的等效原理之路。而光速的等效原理是由"思维"实验得来的，且唯一能验证其理论的星光在太阳附近偏转现象，爱因斯坦在具体计算其偏转角度时，实际上是"非常谨慎地用惠更斯原理"（[5]第23页）。而惯三律所依据的" 低速"等效原理，连幼儿园里的儿童都可以感觉到坐滑梯时的加速度与坐汽车时的汽车加速度的区别，因其身体内有胁强的有否或大小之区别。战斗机飞行员已经体验了低速等效原理的所有内涵。所以，任何脱离与回避"低速"等效原理的力学理论，肯定是不会成功的理论，因为其现象普遍存在于客观世界，且与力学密切相关。爱因斯坦之所以对"光"情有独钟，也许是无意识的回避其理论中的一个内在矛盾："产生"引力场的中心质量（中心物体）必须很大，而体现弯曲时空（引力场）作用的物体必须很小且产生与不产生引力场无关紧要，这与引力中的两个平权的物体涵义是矛盾的。而"光子"正好是最小的物体，也就回避了这个矛盾。只有"整体天体才产生重力场"的结论，才可以解决这个矛盾。
引力波、黑洞与四种相互作用力的统一的课题，来源于爱因斯坦。引力已经不存在了，当然"引力"波也不存在了；如果重力场有边界，重力场就与电磁场不同，当然引力"波"也不存在了。如果以光线在重力场中弯曲的角度而导出的"黑洞"，黑洞不存在，因为光线在重力场中弯曲的原理不是由于"引力"；如果是由于"弯曲时空"原理而导出的"黑洞"，黑洞也不存在，因为本来弯曲时空是由光线的弯曲（光子的广义惯性运动）而规定出来的，反过来又认为光线的弯曲是由弯曲时空所造成的，这是什么逻辑？如果光线在重力场中有红移效应，那么，由此原理而导出的黑洞，黑洞有可能存在。引力都不存在了，也就无所谓四种相互作用力的统一的问题。目前的"大统一理论"仅剩下"引力"没有被统一进去，也正说明了这个问题。
经归纳的现象）再变为抽象层次的基本概念的过程，是人们最不习惯的过程，总不容易摆脱"具象"。之所以不习惯，其原因之一也是因为人们先有了原来理论的抽象及已经习惯了的思维方式，即使有了"具象"也看不到其抽象意义。而由抽象变为"具象"的过程，那可容易多了，但也往往"具象"出来客观世界不存在的东西。
从逻辑学角度，基本概念是不能被其它概念来定义的概念，其内涵具有一定的模糊性。ρ空间也是如此，只能用"感觉"到的物体质量部分的压强梯度现象来说明之，但又不是压强梯度本身。"真空"是具象空间，真空里照样存在"重力场"的ρ梯度值的有否，可用具象的压强梯度来检验之。但不能认为真空是ρ均匀空间。ρ空间与压强梯度的关系可类比铁粉末直观表现磁场结构的关系。摆脱不了具象，不能变为一个基本概念，也是爱因斯坦的"一无所有"的空间怎能分出两种空间的困惑原因之一，而用"运动"规定出来的弯曲时空又不能区分出是表述了物体的广义惯性还是表述了场的属性。特别强调的是：物体内部空间只能指物体质量部分所占据的空间，也是爱因斯坦晚年醒悟的"物体具有空间广延性"的涵义；而重力场空间不仅包含质量部分（整体天体）的空间，也包含没有质量部分的空间。这样就避免了变为"一无所有"的无边界的抽象参考系而带来的"相对"不清的问题。总的说来，ρ空间仅在数学形式上是标量场（其梯度为矢量场），但在物理意义上，则包含了表述广义惯性、可变为物体内部空间及重力场的本体性场、势、能、熵与质量部分的压强梯度等涵义。
就这些了，
