(共26张PPT)
第4节 自由落体运动
1、埃拉托色尼测量地球圆周长实验
2、伽利略的加速度实验
3、伽利略的自由落体实验
4、牛顿的棱镜分解太阳光实验
5、卡文迪许扭矩实验
6、托马斯 杨的光干涉改进实验
7、托马斯 杨的光双缝干涉实验
8、罗伯特 密立根的油滴实验
9、傅科钟摆实验
10、卢瑟福发现核子实验
史上最美丽的十大物理实验(按时间顺序)
史上有这样的十大实验,他们使用最简单的仪器和设备,发现了最根本、最单纯的科学概念,就像是一座座历史丰碑一样,使人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空,被认为是史上最美丽的十大实验。有请他们按照时间顺序粉末登场……
史上最美十大物理实验颁奖词
图1 伽利略的加速度实验
图2 著名的比萨斜塔
猜想与假说
自然界是简单的,自然界的规律也是简单的。速度应该是均匀变化的。
伽利略
设计实验
困难一:速度无法直接测量
突破: 间接验证
若v0=0,且
必有
困难二:落体运动时间太快,无法准确测
突破:在斜面上“冲淡”重力,使其加速度减小
探究一 伽利略斜面实验及比萨斜塔实验
伽利略手稿中的一组数据:
能得出什么规律?
时间 1 2 3 4 5 6 7 8
距离 32 130 298 526 824 1192 1600 2104
数据处理
比萨斜塔实验:“落地只差两指宽”
结论外推
教师问题引导
将一张纸和小球
从同一高度自由下落
一张纸
弹力球
提出猜想:如果没有空气阻力,轻重不同的物体下落快慢是一样的
学生实验发现
小球快速先落地,纸片飘落落地
将纸揉成团和小球
从同一高度自由下落
两者几乎同时落地
探究过程:
现实生活中的现象却是这样的……
探究二 落体运动PK自由落体运动
图3 演示实验
重物被轻物拖累
重物轻物
绑一起
逻辑的力量
物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的,
物体越重,下落得越快;反之,则下落得越慢。
亚里士多德
伽利略
V12>8
V1=8
V2=4
4
结论与假设
出现了矛盾!
老亚,你错了。
一、自由落体运动定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动。
1.只受重力
2.由静止开始下落
二、性质:
自由落体运动是一种什么性质的运动
猜想?
实验验证
探究二 落体运动PK自由落体运动
【没有空气阻力等其它力,或者空气阻力相对重力比较小而忽略不计做近似处理】
落体运动:物体下落的运动生活中统称落体运动,可能有空气阻力也可能没有空气阻力。
【初速度为零】
站在巨人的肩膀上
现在我们不必用斜面来“冲淡重力”,可以对落体运动精确地“计时”、“定位”,直接研究落体运动的性质。
现代研究落体运动的方法 :
1、“自由落体频闪照片”求加速度
2 、用打点计时器研究纸带求出加速度
3、其它方法(测速计等)
4、手机录像逐帧截取
探究二 落体运动PK自由落体运动
根据学过的知识,现代研究落体运动的仪器有哪些呢?
A、连续相等时间的位移差Δx=aT2
B、初速度为零的匀加速直线运动从零时刻起,在连续相等时间内的位移之比等于(x1∶x2∶x3∶…=1∶3∶5∶…)
C、初速度为零的匀加速直线运动从零时刻起,在ts内、2ts内、3ts内…的位移之比等于(xⅠ∶xⅡ∶xⅢ∶…=1∶22∶32∶…)
D、位移与时间关系x= at2/2,建立x-t2图象,看位移与时间成正比关系。
E、根据一段时间的平均速度等于这段时间中点的瞬时速度,计算各点速度大小,再由v=at,看速度与时间是否是正比的关系……
同学根据刚才提出的方案,判断自由落体运动是否是初速度为零的匀加速直线运动。经数据验证,假设成立。
探究二 落体运动PK自由落体运动
根据学过的知识,验证匀变速直线运动的方法有哪些呢?
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
图4 传统实验室实验
图5 将创新实验搬回家
打点计时器 PK 手机录像逐帧截取
(一)实验目的:利用智能手机研究自由落体运动
(二)实验器材:
智能手机(本实验以三年前购买荣耀9为例),手机支架,电脑(里面装qq影音、WPS等软件),刻度尺,小球
(三)实验原理:
智能手机录像技术是利用电子快门通过智能曝光每秒形成30帧或60帧图象,图象逐帧播放,人的视觉就形成连续画面。以本人所用华为荣耀9为例,录像视频分辨率设置中可以达到(16:9)1080P,60fps和(16:9)4K、30fps标准,即最快可以每秒提取60帧静止图象,相邻两帧图像的间隔是1/60s,理论上比打点计时器的0.02s还要精确,相当于频闪照相功能。
实验 利用智能手机研究自由落体运动
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
电磁铁
(吸住小球)
小球
(染成红色)
刻度尺
(0.5cm)
缓冲装置
(内置多层餐巾纸)
铁架台
手机支架
智能手机
【录像能满足1080P 60fps】
绝大多数手机都能满足
(四)实验过程
1.录像
(1)将小球吸在电磁铁下端,小球中心位置放在所造刻度板零刻线平行处,等待稳定。
(2)将手机录像设置成(16:9)1080P,60fps模式,调焦对准刻度尺,点击开始录像,等待手机在支架上完全稳定,打开电磁铁开关释放小球,小球下滑完毕后停止录像
(3)利用qq将录像文件原图传到电脑。
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
图7 实验器材
2.逐帧截取
⑶用qq影音在小球下滑过程逐帧播放(按住F键即逐帧播放)并逐帧截图(同时按下Alt+A)全部截取完毕后进行截图编号,未动前速度为零瞬间编号为0,以此类推,若编号为x,则下落x/60s。
图8 使用qq影音进行逐帧播放、截屏、逐帧编辑序号
图9 点击二维码看实验过程
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
【特别注意】小球第一帧图象因为下落不到2mm,截图是否看到请注意,有可能看到的已经为第2帧。
1.小球所在位置的坐标读数方法
静止时小球中间位置在零刻线处,后续因为运动而出现重影,则读重影中间位置的坐标即可。例如:下图是对小球某帧图片(未动的图片计数为0)的处理
通过图片放大找到中间位置估读为4.0cm。 若读阴影下面位置为4.5cm
(五)数据处理
图10 研究小球自由落体时某帧图片
图11 图片放大后估读数据
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
2.在Excel表格输入如下图所示数据表格
3.利用Ecel插入(x,y)散点图,并用渐近线进行拟合
数据分析结果:通过软件数据输入进行线性拟合,能得到
数据编号 帧序号 t(s) t2 h
0 0 0 0
1 2 0.033333333 0.001111111
2 4 0.066666667 0.004444444
3 6 0.1 0.01
4 8 0.133333333 0.017777778
5 10 0.166666667 0.027777778
6 12 0.2 0.04
结论:自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动。
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
数 据 组 号 帧 序 号 t2 倾角 约 20度s1 倾角 约 40度 s2 倾角 约 60度 s3 倾角 约 80度 s4 自由
落体
h
0 0 0 0 0 0 0 0
1 6 0.01 0.03 0.025 0.037 0.033 0.05
2 12 0.04 0.06 0.075 0.12 0.13 0.19
3 18 0.09 0.12 0.155 0.255 0.285 0.44
4 24 0.16 0.20 0.27 0.44 0.50 0.78
5 30 0.25 0.30 0.405 0.66 0.78 1.23
6 36 0.36 0.42 0.58 0.93 1.125 1.79
7 42 0.49 0.56 0.78 1.26 1.525
8 48 0.64 0.72 1.01 1.64
9 54 0.81 0.91 1.28
10 60 1 1.11 1.575
11 66 1.21 1.34
12 72 1.44 1.58
表1 五组斜面不同倾角下小球运动相关数据表格
图13 利用Ecel插入散点图,
用渐近线拟合
我疫情期间在家用手机录像逐帧截取斜面实验
图12 模仿伽利略斜面实验装置图
a=g【定值】
匀变速直线运动
初速度为零匀变速直线运动
自由落体运动
探究四 自由落体运动规律及其应用
初速度加速度知道
知一推多
1.在同一地点,一切物体自由下落的加速度都相同,叫做自由落体加速度,也叫重力加速度,用g表示.
2.g是矢量,方向竖直向下.
3.g在赤道最小,在两极最大。一般的计算中可以取 9.8 m/s2或10m/s2。
自由落体加速度
探究四 自由落体运动规律及其应用
1.小球自由落体过程中的空气阻力(造成实验结果偏小)
2.读小球做在位置时采用模糊图像估读(对实验结果偏大偏小不确定)
3.智能手机和软件处理的系统误差分析(实验结果偏大的可能原因)
⑴录像技术中是否存在每秒录制达不到60帧,造成实验结果偏大
⑵手机录像运行过程中可能有延迟现象,造成实验结果偏大
⑶在qq影音逐帧截取过程中的第一帧和物体自由释放的瞬间有时间差
⑷qq影音逐帧截取技术每秒达不到60帧,造成实验结果偏大
(六)误差分析
易犯错误:第一帧没注意!!!!
探究三 实验:利用智能手机探究自由落体运动
C
探究四 自由落体运动规律应用
【例1】踢毽子是我国民间的一项体育游戏,
被人们誉为“生命的蝴蝶”。近年来,踢毽
子成为全民健身活动之一。毽子由羽毛和铜
钱组成,在下落时总是铜钱在下羽毛在上,
如图所示,对此分析正确的是( )
A.铜钱重,所以总是铜钱在下羽毛在上
B.如果没有空气阻力,也总是出现铜钱
在下羽毛在上的现象
C.因为空气阻力的存在,所以总是铜钱
在下羽毛在上
D.毽子的自由下落是自由落体运动
C
C
探究四 自由落体运动规律应用
【例2】从六层楼上自由落下一个果壳,已知每层楼高2.89米,求果壳落到地面的速度?若一辆汽车的速度为60km/h,则果壳和汽车的速度那个大?这样的果壳对楼下的行人有无危害?
解:六层楼距地面实际高度应该为:
h=5×2.89m=14.45m
根据自由落体运动规律
果核的速度比汽车的速度大,对行人有害。
小结
性质
规律
应用
初速度为零
的匀加速直线运动
条件
V0=0
只受重力
自由落体运动
1.下列说法正确的是( )
A.物体竖直向下的运动是自由落体运动
B.自由落体运动是初速度为零,加速度为g的竖直向下的匀加速运动
C.物体只在重力作用下从静止开始的下落运动叫自由落体运动
D.当空气阻力作用比较小,可忽略不计时,物体自由下落可视为自由落体运动
2.关于重力加速度下面四种说法正确的是( )
A.重力加速度表示自由下落的物体运动的快慢
B.重力加速度表示自由下落物体运动速度变化的大小
C.重力加速度表示自由下落物体运动速度变化的快慢
D.轻、重物体的重力加速度不同
3.一物体从楼上自由下落,经过高为2m的窗户所用的时
间为0.2s,物体是从距离窗顶多高处自由落下的?
当堂检测
BCD
C
作 业:
1.课后 《问题与练习》
2.手机录像逐帧截取实验条件课下具备,利用放假时间按照本次实验过程多做几次,自己做图象分析验证自由落体规律
3.注意后续学习过程中利用手机录像逐帧截取进行物理实验的推广。
图3 <<加油向未来>>“大牛顿管”
图2 实验室“牛顿管”实验
图1 伽利略比萨斜塔实验
“落地只差两指宽”
探究五 关于那些人和事
伽利略创立近代科学时用了三个方法:实验方法、数学方法和思想实验方法。在其后的200中,自然科学迅猛发展,涌现出了许许多多物理学巨匠,当人类进入20世纪时,思想实验的方法突然被频繁的运用起来。爱因斯坦创立了相对论,当人们离开伽利略的船舱来到爱因斯坦的火车上时,关于尺缩效应、关于同时的相对性、关于只有在高速世界里才可能发生的奇妙景象,被爱因斯坦用思想实验论述得合情合理。波尔和爱因斯坦关于量子的概率进行争论时,他们用思想实验进行辩论,让人类看到世界上第一流的科学巨匠是怎样畅游在理念的世界里。当今人们建立了大爆炸宇宙模型,当代理论物理学家霍金站在人们面前演讲的时候,谈到世界是十维的,并说了一句意味深长的话:我们看到的世界就是火光照在洞壁上的影子啊!
为了纪念伽利略的伟大贡献,1993年4月8日,来自世界各地的科学家把木球、铝球、塑料球等不同材料制成的小球从比萨斜塔上44 m高处同时静止释放,用精密电子仪器和摄像机记录,结果发现所有小球 落地 。
几乎同时以同一速度
探究五 关于那些人和事
他是谁?
他的全部作品有47部留存。
他的著作包括天文学、
动物学、地理学、地质学、
物理学、解剖学、生理学、
伦理学、心理学、经济学、
政治学、修辞学、美学。
恩格斯称他是“最博学的人”。
名言:“吾爱吾师,吾更爱真理”
Aristotle
前384~前322
关于伽亚里士多德
探究五 关于那些人和事