对“自由落体运动”问题的再认识

凃诗怡

自由落体运动指在重力的单独作用下进行匀加速运动的过程.下面从教材知识出发，根据相关实验对这一物理原理进行分析和验证，同时将实际生活中存在的问题与物理原理进行联系，加深对自由落体运动的认识，构建更为完善的物理知识网络.高中时期学习物理知识不应该单纯为了解答试题，而是要善于利用所学知识发现并解决生活中的实际问题，深入研究物理原理，切身体会物理学科的博大精深.

一、问题的提出

亚里士多德根据对生活现象的观察，从同一高度落下的果实和树叶，果实的下落速度较树叶快，认为事物在高空下落的速度受其重量的影响，由此在《物理学》中提出影响已知重物下落速度的因素有两个：所穿过介质和运动物体的重量.伽利略对这一论断表示怀疑，并做了著名的斜塔实验，证明重量不同的两个物体在一定条件下下落速度一致.通过牛顿第二定律我们知道，做自由落体运动的物体下落速度与重量无关，出现果实比树叶下落速度快的现象是由于物体在下落过程中受到空气阻力的影响.如何利用实验证明这一物理原理呢？

二、公式推导

采用实验研究的方法对自由落体运动进行重新认识.自由落体运动指在重力的单独作用下进行匀加速运动的过程.因此在实验过程中要排除其他力的作用.

实验1：在相同高度释放小球和纸片，观察两物体落地时间.

实验2：将纸片团成纸团，再在相同高度释放小球和纸团，观察两物体落地时间.

实验结果证明：空气阻力的确存在，且会影响下落物体的运动速度和落地时间.

实验3：观察牛顿管中小球和羽毛的运动情况.

实验现象表明在真空环境中质量不同的物体从高处下落，落地时间相同.由此证明做自由落体运动的物体下落速度快慢与质量无关.

实验4：采用打点计时器对自由落体运动加速度进行计算.实验器材和纸带情况如图所示.

对纸带进行测量分析：自由落体运动的运动轨迹应为竖直的直线，即自由落体运动为直线运动；连续相等时间内物体运动位移不同，且运动位移越来越大，即自由落体运动为变速运动，且为加速运动；通过测量和计算X1，X2，X3，X4，X5，X6的数量关系，可以确定自由落体为匀加速运动，即做自由落体运动的物体受到一个方向的稳定的力的持续作用.

根据上述四个实验，再结合实际生活中的例子，可以判断受到的力为重力，即自由落体运动为只受重力作用的匀加速运动，加速度为重力加速度.代入匀加速直线运动中加速度和加速时间的计算公式，可得：

三、实例分析

自由落体在实际生活中经常用于估计某高台距地面高度、各类矿井深度等.如某同学在野外发现一深井，想估计这口井的深度，但并未携带专业测量工具，则可通过身边质量较重、体积较小的石块，利用自由落体运动原理对井深进行测量.这里利用的就是公式h=12gt2，通过测量石块下落时间，计算下落高度，即井深.

在整个高中物理學科中，自由落体运动不仅可以和运动部分进行关联，而且能够与动量定理、能量守恒等知识板块进行关联.在物理试卷上也经常出现匀加速运动与碰撞问题，将这几个问题进行串联.而自由落体运动是解决这类问题的必要工具和重要手段.因此在学习过程中要熟记相关公式，深入理解自由落体运动的物理原理，并以此为中心构建完整的物理知识网络.