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  • 1 # 科學小哥

    一個蘋果以自由落體運動掉下來,它的速度是多少?會不會越來越快?

    關於這個問題,首先我的答案是肯定的。如果是自由落體(不考慮空氣阻力)掉落,速度毫無疑問越來越快。但是在現實世界中空氣阻力是不可能忽略掉的,因此速度最終會達到一個終端速度。本文會從以下幾個方面對此題目進行闡述與擴充套件:

    1. 自由落體的物理學定義

    2. 高中知識-打點計時器的相關介紹與計算

    3. 自由落體的物理學研究發展歷程—包含物理學家的觀點及介紹

    話不多少,我們開始今天的介紹。

    一、 自由落體的物理學定義與物理學定律

    筆者學習自由落體運動還是在高中的時候,相信大部分讀者接觸這個名詞也是在高中的時候。自由落體,顧名思義,值得是物體只在重力作用下,由靜止開始的運動,叫做自由落體運動。該運動需要同時滿足兩個條件:1.只受到重力(忽略空氣阻力);2.初速度為零。自由落體運動是一種理想化的物理模型,因為其忽略掉了空氣的阻力。

    舉一個最簡單的例子,用手握住鐵球,不施加任何外力的情況下輕輕鬆開手使其掉落,該運動模型可視為自由落體運動。

    自由落體存在以下幾點含義:

    1.物體運動初始速度必須為0,若該初速度不為零則只能算作勻加速運動。

    2.只受重力作用,不受其他作用力(或外力的合力為零)。

    3.在真空狀態下,例如真空管中,任何物體在相同高度做自由落體,下落時間相同。

    二、高中知識-打點計時器的相關介紹與計算

    高中時我們曾經用打點計時器學習過自由落體相關的知識,下面我們來簡要的回憶下。

    打點計時器的介紹

    打點計時器是利用交流電源進行計時測量的儀器,主要可以透過記錄時間與位移之間的關係來探究勻變速直線運動加速度的求解方法-。通常來說。打點計時器的打點週期是0.02S,這也就意味著紙袋運動時,相鄰之間點的時間差為0.02S。

    那麼如果運動是勻速直線運動時(即加速度為0的情況下),打點計時器所打出的紙帶都是等間距的,我們可以透過測量點的間距來檢測運動是否為勻速直線運動。

    如果運動是勻加速直線運動(例如自由落體),那紙袋上的點距離是逐漸加大的,且透過計算可以得出變數。透過計算,我們也可以得出結論,檢測物體時勻加速直線運動還是非勻變速直線運動。

    如同所示該影象表示的是某物體做勻變速直線運動,每一小段的矩形的底為T,相鄰兩個T的路程差,為兩個梯形面積差,顯然等於一個矩形。該矩形的底為T,高度h=Ta(斜率),面積是aT2,所以△s=aT2.

    三、 自由落體的物理學研究發展歷程—包含物理學家的觀點及介紹

    在很久以前,人們的日常經驗大概會告訴他們,重的物體總是會降落的比較快,比如同一高度的蘋果和樹葉,比如1塊鐵和1根羽毛,一定是蘋果和鐵塊率先落地。因此在16世紀以前的世界,物體下落的快慢由重力決定,物體越重下落的越快是毫無疑問的。

    如圖為亞里士多德。

    假定現在存在兩塊石頭,一塊大石頭和一塊小石頭,如果按照以前的想法,大石頭的降落速度肯定是要快於小石頭的,那如果將兩塊石頭綁在一起,按照理論,大石頭會被小石頭拖著而速度減慢,致使整個系統的速度應該小於單獨大石頭降落的速度。可是另一方面,整個系統的重量又大於單獨的大石頭,那降落速度又應該大於大石頭,這豈不是自相矛盾嗎?

    為了擺脫這一悖論,伽利略表達了自己的觀點。他認為,重物與輕物在高度一致時應該是一同落地。傳言伽利略曾在義大利著名建築物比薩斜塔做過落體實驗,但是後來又被否定。毋庸置疑的是,比薩斜塔成為了世界著名旅遊紀念地。

    在當時的物理學下,無法模擬出真空無空氣阻力的環境,因此伽利略採用了間接驗證方法:讓一個小球從阻力很小的斜面滾落,透過上百次試驗,有效將加速度降低為較小數值,使時間更容易測量。透過實驗,他發現,光滑的斜面傾角保持不變,從不同高度使小球滾落,小球所透過的位移跟所用時間的平方之比是不變的。

    直到牛頓時代,發明了真空抽氣機,才有了牛頓管,真正用實驗證明了,在真空中,物體的下落速度與自身重力無關

    總結

    以上就是筆者簡單對自由落體運動的認識,希望與大家分享,自由落體運動在歷史發展中,由錯誤的歷史觀點,到伽利略勇於突破歷史枷鎖,說出自己的看法最終隨著時間的推移,得到了驗證。我們不只是需要掌握所需要了解的物理學知識,更有敢於質疑,敢於懷疑,勇於探索的精神。您覺得呢?

    (本文寫作過程中查閱過部分資料,希望廣大讀者不吝賜教,如有錯誤請指出。)

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