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4.3 自由落体公式

匀变速直线运动的研究 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物体仅在重力作用下,从静止开始下落的运动,其位移、速度与时间的定量关系公式。

从哪来 基于 4.1 定义 明确研究对象,利用 4.3 加速度与速度的关系 推导运动学公式,结合 5.2 v-t图像 理解位移几何意义,并运用 7.1 核心建模思维 将实际物体抽象为理想模型。

为什么 自由落体是初速度为零的匀加速直线运动。根据 4.3 加速度与速度的关系,速度 $v=at$,因 $a=g$,故 $v=gt$。根据 5.2 v-t图像,位移等于 $v-t$ 图线与时间轴围成的三角形面积,即 $h = \frac{1}{2} \times t \times v = \frac{1}{2}gt^2$。这揭示了在恒定加速度下,位移随时间呈二次方增长的本质。

生活直觉法
先让学生观察雨滴下落或手机掉落,强调“只受重力”这一关键条件。通过对比“羽毛在真空管中下落”与“空气中下落”,直观感受空气阻力被忽略后的纯粹加速过程。
适合:形象思维强、对抽象公式恐惧、需要建立物理图景的初学者。
数学推导法
直接从匀变速直线运动通用公式 $v=v_0+at$ 和 $x=v_0t+\frac{1}{2}at^2$ 出发,代入 $v_0=0, a=g$,快速得出 $v=gt$ 和 $h=\frac{1}{2}gt^2$。强调这是通用公式的特例,降低记忆负担。
适合:数学基础好、逻辑推理能力强、偏好结构化知识体系的学生。
图像面积法
画出 $v-t$ 图像,横轴为时间 $t$,纵轴为速度 $v$。指出 $v=gt$ 是一条过原点的直线。位移 $h$ 即为该直线下方三角形的面积。通过几何直观解释为什么系数是 $\frac{1}{2}$,而非 $1$。
适合:空间感强、擅长利用图形辅助理解物理过程、对代数变形易出错的学生。
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练一道
基础题
一个物体从 $20\text{m}$ 高处自由落下,不计空气阻力,取 $g=10\text{m/s}^2$。求:(1) 落地时间;(2) 落地速度。
变式
物体做自由落体运动,在第 $1\text{s}$ 内的位移为 $h_1$,在第 $2\text{s}$ 内的位移为 $h_2$,求 $h_1 : h_2$。
试试手自己判
检测题
物体从静止开始自由下落,若在第 $1\text{s}$ 内下落了 $5\text{m}$,则它在第 $2\text{s}$ 内下落的距离是多少?($g=10\text{m/s}^2$)
看答案和判分标准
答案:$15\text{m}$
判对标准:
学生需写出计算过程:前 $2\text{s}$ 总位移 $H_2 = \frac{1}{2} \times 10 \times 2^2 = 20\text{m}$;第 $2\text{s}$ 内位移 $\Delta h = H_2 - H_1 = 20 - 5 = 15\text{m}$。仅写结果 $15\text{m}$ 但无过程不得分;若写出 $h_2 = \frac{1}{2}g(2)^2 = 20\text{m}$ 并直接作答,判错。
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