竖直运动 · 规律观察

自由落体规律观察器

拖动时间,看看一颗从静止开始下落的小球,怎样把“越落越快”变成可以计算的规律。

统一约定:向下为正

本观察器只讨论一种情形:物体由静止释放,空气阻力忽略不计,且重力加速度 g 在运动过程中保持不变。

1.2 s
取重力加速度 g
从静止释放位移 7.06 m
小球自由下落示意 红色小球从上方释放,随选择的时间向下移动。向下为正方向。 正方向 释放位置 v h 为便于观察,地面位置仅作示意

把此刻读数代入三个关系式

速度随时间变化
v = gt
v = 11.76 m/s
位移随时间变化
h = ½gt²
h = 7.06 m
速度与位移的关系
v² = 2gh
138.30 = 138.30
此段运动的平均速度
v̄ = h / t
v̄ = 5.88 m/s
速度—时间图像:斜率就是 g

看见变化,再说规律

小球刚放手时速度为零;每过相同的时间,它增加的速度却相同。所以 v—t 图像是一条过原点的直线,直线越陡,重力加速度越大。

位置的变化就不是匀匀地“挪动”了:后一个相等时间段的位移总比前一个大。于是位移里出现了 t²,这正是自由落体越落越快的数量表达。

别混淆v² = 2gh 不含时间,并不表示小球没有经历时间;它只是把时间从两个基本关系式中消去了。这里的 h 是沿正方向的位移,因此在本观察器的约定下取正值。