(江苏专版)2019年高考物理总复习第3讲自由落体运动讲义

第3讲自由落体运动和竖直上抛运动[课标要求]1.通过实验，认识自由落体运动规律，结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。

2.认识竖直上抛运动规律，体会实际中竖直上抛运动的特点。

考点一自由落体运动1．自由落体运动的特点：初速度为零，只受重力作用。

2．自由落体运动的三个基本公式：(1)速度公式：v ＝gt 。

(2)位移公式：h ＝12gt 2。

(3)速度—位移关系式：v 2＝2gh 。

学生用书第10页【高考情境链接】(2021·湖北高考·改编)2019年，我国运动员陈芋汐获得国际泳联世锦赛女子单人10米跳台冠军。

某轮比赛中，陈芋汐在跳台上倒立静止，然后下落，前5m 完成技术动作，随后5m 完成姿态调整。

假设整个下落过程近似为自由落体运动。

判断下列说法的正误：(1)陈芋汐前5m 完成技术动作的时间为1s 。

(√)(2)陈芋汐后5m 完成姿态调整的时间为1s 。

(×)(3)任何物体从静止下落的运动都可以看成自由落体运动。

(×)自由落体运动规律的推论1．从静止开始连续相等时间内的下落高度之比为1∶3∶5∶7∶…2．从静止开始任意一段时间内的平均速度v ＝h t ＝v 2＝12gt 。

3．连续相等时间T 内的下落高度之差Δh ＝gT 2。

注意：物体只有从由静止开始的自由下落过程才是自由落体运动，而从中间截取的一段运动过程不是自由落体运动，而是竖直下抛运动，此时应该用初速度不为零的匀加速直线运动规律去解决此类问题。

考向1单物体的自由落体运动高空抛物是一种不文明行为，会带来很大的社会危害。

某天，家住8楼的小华发现有一钢球从落地窗外坠落，调看家里视频监控发现钢球通过落地窗用时0.1s，已知落地窗高度为2m，每层楼高度为3m，试估算钢球从几楼抛出()A．9楼B．10楼C．15楼D．20楼答案：C解析：设钢球下落点距离小华家窗户上沿高度为h，则h＝12gt2，h＋2m＝12(t＋0.1s)2，解得t＝1.95s，h≈19m，由193≈6.3可知钢球从15楼抛出。

第3讲 自由落体运动一、自由落体运动1．条件：物体只受重力，从静止开始下落． 2．基本规律 (1)速度公式：v ＝gt . (2)位移公式：x ＝12gt 2.(3)速度位移关系式：v 2＝2gx . 3．自由落体运动的推论(1)连续相等的时间T 内的位移之差：Δx ＝gT 2. (2)平均速度：v ＝v2.(3)若从开始运动时刻计时，划分为连续相等的时间间隔T ，则有如下比例关系： ①T 末、2T 末、3T 末……瞬时速度之比 v 1∶v 2∶v 3∶……＝1∶2∶3∶…… ②T 内、2T 内、3T 内……位移之比 x 1∶x 2∶x 3∶……＝1∶4∶9∶……③第一个T 内、第二个T 内、第三个T 内……位移之比 x Ⅰ∶x Ⅱ∶x Ⅲ∶……＝1∶3∶5∶……(4)若从运动起点(初位置)开始，划分为连续相等的位移x ，则有如下比例关系： ①连续相等的位移末的瞬时速度 v 1∶v 2∶v 3∶……＝1∶2∶3∶…… 推证：由v 2－v 02＝2ax 可直接得到． ②通过连续相等的位移所用时间之比t 1∶t 2∶t 3∶……＝1∶(2－1)∶(3－2)∶…… 4．伽利略对自由落体运动的研究(1)伽利略通过逻辑推理的方法推翻了亚里士多德的“重的物体比轻的物体下落快”的结论． (2)伽利略对自由落体运动的研究方法是逻辑推理―→猜想与假设―→实验验证―→合理外推．这种方法的核心是把实验和逻辑推理(包括数学演算)和谐地结合起来．自测1 (多选)甲物体的重量比乙物体大5倍，甲从H ＝10 m 高处自由落下，乙从2H 高处与甲物体同时自由落下，在它们落地之前，下列说法中正确的是( )A ．两物体下落过程中，在同一时刻甲的速度比乙的速度大B ．下落1 s 末，它们的速度相同C ．各自下落1 m 时，它们的速度相同D ．下落过程中甲的加速度比乙的加速度大 答案 BC 二、竖直上抛运动1．运动特点：加速度大小为g ，方向竖直向下．上升阶段做匀减速运动，下降阶段做自由落体运动．2．运动性质：匀变速直线运动． 3．基本规律(1)速度公式：v ＝v 0－gt ； (2)位移公式：x ＝v 0t －12gt 2.自测2 (多选)物体做竖直上抛运动后又落回到原出发点的过程中，下列说法正确的是( ) A ．上升过程中，加速度方向向上，速度方向向上 B ．下落过程中，加速度方向向下，速度方向向下 C ．在最高点时，加速度大小为零，速度大小为零 D ．到最高点后，加速度方向不变，速度方向改变 答案 BD命题点一 自由落体运动规律的应用自由落体运动是v 0＝0、a ＝g 的匀加速直线运动，下落时间t 、末速度v 、下落高度h 三个物理量中有一个确定，其余两个物理量也就确定了．例1 (2017·南通一中期中)如图1所示，某学习小组利用直尺估测反应时间：甲同学捏住直尺上端，使直尺保持竖直，直尺零刻度线位于乙同学的两指之间．当乙看见甲放开直尺时，立即用手指捏住直尺，根据乙手指所在位置计算反应时间．为简化计算，某同学将直尺刻度进行了改进，以相等时间间隔在直尺的反面标记反应时间的刻度线，制作了“反应时间测量仪”，下列四幅图中刻度线标度正确的是( )图1答案 B解析 由题可知，手的位置在开始时应放在0刻度处，所以0刻度要在下边．直尺做自由落体运动的位移：h ＝12gt 2，位移与时间的平方成正比，所以随时间的增大，直尺上刻度线的间距增大，由以上的分析可知，只有图B 是正确的．例2 (2017·丹阳中学模拟)在高11.25 m 屋檐上，每隔一定的时间有一滴水落下，已知第一滴水落到地面时，第四滴水刚好离开屋檐，设水滴的运动是自由落体运动，g 取10 m/s 2，求： (1)第一滴水落地时的速度大小； (2)水滴落下的时间间隔；(3)第一滴水落地时，第二滴水和第三滴水间的距离． 答案 (1)15 m/s (2)0.5 s (3)3.75 m解析 (1)根据自由落体与运动学公式得：v 12＝2gh 解得：v 1＝2gh ＝2×10×11.25 m /s ＝15 m /s ； (2)第一滴水运动的时间 t ＝2hg＝ 2×11.2510s ＝1.5 s ； 所以水滴落下的时间间隔T ＝t4－1＝0.5 s ；(3)第1滴水落地时，第2滴水的下落位移为： h ′＝12gt ′2＝12×10×12 m ＝5 m ；第三滴水下落的高度h ″＝12×10×0.52 m ＝1.25 m ；第二滴水和第三滴水间的距离为 Δh ＝h ′－h ″＝3.75 m. 命题点二 竖直上抛运动1．竖直上抛运动的两种研究方法(1)分段法：将全程分为两个阶段，即上升过程的匀减速阶段和下落过程的自由落体阶段． (2)全程法：将全过程视为初速度为v 0、加速度为a ＝－g 的匀变速直线运动，必须注意物理量的矢量性．习惯上取v 0的方向为正方向，则v >0时，物体正在上升；v <0时，物体正在下降；h >0时，物体在抛出点上方；h <0时，物体在抛出点下方．2．竖直上抛运动的三种对称性 (1)时间的对称性①物体上升到最高点所用时间与物体从最高点落回到原抛出点所用时间相等，即t 上＝t 下＝v 0g .②物体在上升过程中某两点之间所用的时间与下降过程中该两点之间所用的时间相等． (2)速度的对称性①物体上抛时的初速度与物体又落回原抛出点的速度大小相等、方向相反． ②物体在上升阶段和下降阶段经过同一个位置时的速度大小相等、方向相反． (3)能量的对称性竖直上抛运动物体在上升和下降过程中经过同一位置时的动能、重力势能及机械能分别相等． 例3 (2018·盐城中学阶段性测试)气球以10 m/s 的速度匀速上升，当它上升到离地175 m 的高处时，一重物从气球上脱落，则重物需要经过多长时间才能落到地面？到达地面时的速度是多大？(g 取10 m/s 2，不计空气阻力) 答案 7 s 60 m/s解析 解法一：把竖直上抛运动过程分段研究． 设重物离开气球后，经过t 1时间上升到最高点， 则t 1＝v 0g ＝1010 s ＝1 s.上升的最大高度 h 1＝v 022g ＝1022×10 m ＝5 m.故重物离地面的最大高度为 H ＝h 1＋h ＝5 m ＋175 m ＝180 m.重物从最高处自由下落，落地时间和落地速度分别为 t 2＝2H g＝ 2×18010s ＝6 s. v ＝gt 2＝10×6 m/s ＝60 m/s.所以重物从气球上脱落至落地共历时t ＝t 1＋t 2＝7 s.解法二：取全过程作为一个整体进行研究，从重物自气球上脱落计时，经时间t 落地，规定初速度方向为正方向，画出运动草图如图所示，则重物在时间t 内的位移h ＝－175 m.由位移公式h ＝v 0t －12gt 2有－175＝10t －12×10t 2，解得t ＝7 s 和t ＝－5 s(舍去)， 所以重物落地速度为v 1＝v 0－gt ＝10 m/s －10×7 m/s ＝－60 m/s. 其中负号表示方向向下，与初速度方向相反． 解法三：对称法根据速度对称，重物返回脱落点时，具有向下的速度v 0＝10 m/s ，设落地速度为v ，则v 2－v 02＝2gh .解得v ＝60 m/s ，方向竖直向下． 经过h 历时Δt ＝v －v 0g ＝5 s.从最高点到落地历时t 1＝vg＝6 s.由时间对称可知，重物脱落后至落地历时 t ＝2t 1－Δt ＝7 s.变式1 在竖直的井底，将一物体以11 m/s 的速度竖直向上抛出，物体在井口处被人接住，在被人接住前1 s 内物体的位移是4 m ，位移方向向上，不计空气阻力，g 取10 m/s 2，求： (1)物体从抛出到被人接住所经历的时间； (2)此竖直井的深度． 答案 (1)1.2 s (2)6 m解析 (1)被人接住前1 s 内物体的位移是4 m ，由于自由落体的物体第1 s 内的位移h 1＝12gt 2＝5 m故而一定是在物体通过最高点后返回过程中被接住，设接住前1 s 时的初速度为v 1， 则h ＝v 1t －12gt 2解得v 1＝9 m/s ，t 1＝v 0－v 1g ＝11－910s ＝0.2 s 从抛出到被人接住所经历的时间 t ′＝t 1＋1 s ＝1.2 s(2)设竖直井的深度为H ，则H ＝v 0t ′－12gt ′2＝11×1.2 m －12×10×1.22 m ＝6 m.命题点三 落体法测重力加速度例4 某同学用如图2a 所示的装置测定重力加速度：(1)电磁打点计时器的工作电压为________V ，为交流，频率为50 Hz.(2)打出的纸带如图b 所示，实验时纸带的________(选填“甲”或“乙”)端应和重物相连接． (3)实验中在纸带上连续打出点1、2、3、4、……、9，如图b 所示，由纸带所示数据可算出实验时的加速度为________m/s 2(保留两位有效数字)．图2答案 (1)4～6 (2)乙 (3)9.4变式2 频闪摄影是研究变速运动常用的实验手段．在暗室中，照相机的快门处于常开状态，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光，照亮运动的物体，于是胶片上记录了物体在几个闪光时刻的位置．如图3是小球自由下落时的频闪照片示意图，频闪仪每隔0.04 s 闪光一次．如果要通过这幅照片测量自由落体加速度，可以采用哪几种方法？试一试． 照片中的数字是小球落下的距离，单位是厘米．图3答案 见解析解析 方法一 根据公式x ＝12gt 2x ＝19.6 cm ＝0.196 m.t ＝5T ＝0.2 sg ＝2x t 2＝0.196×24×102 m/s 2＝9.8 m/s 2 方法二 根据公式Δx ＝gT 2 x 5－x 3＝2gT 2，x 4－x 2＝2gT 2，则 g ＝x 5＋x 4－(x 2＋x 3)4T 2＝(19.6－7.1)－(7.1－0.8)4×(0.04)2×10－2 m/s 2＝9.69 m/s 2 方法三 根据v ＝gt 和v ＝v 0＋v 2＝xt＝2t vv ＝(19.6－7.1)×10－22×0.04m/s ≈1.56 m/sg ＝vt ＝1.560.16m/s 2＝9.75 m/s 2.1．关于自由落体运动(g ＝10 m/s 2)，下列说法中不正确的是( ) A ．它是竖直向下，v 0＝0、a ＝g 的匀加速直线运动 B ．在开始连续的三个1 s 内通过的位移之比是1∶3∶5 C ．在开始连续的三个1 s 末的速度大小之比是1∶2∶3D ．从开始运动到距下落点5 m 、10 m 、15 m 所经历的时间之比为1∶2∶3 答案 D2．一小石块从空中a 点自由落下，先后经过b 点和c 点，经过b 点时速度为v ，经过c 点时速度为3v ，不计空气阻力，则ab 段与ac 段位移之比为( ) A ．1∶3 B ．1∶5 C ．1∶8 D ．1∶9 答案 D解析 石块做自由落体运动，2gh ab ＝v 2① 2gh ac ＝(3v )2②由①②得h ab h ac ＝19，选项D 正确．3．(多选)某物体以30 m/s 的初速度竖直上抛，不计空气阻力，g 取10 m/s 2，4 s 内物体的( ) A ．位移大小为50 m B ．路程为50 mC ．速度改变量的大小为20 m/sD ．平均速度大小为10 m/s 答案 BD解析 选取向上的方向为正方向，物体在4 s 内的位移x ＝v 0t －12gt 2＝(30×4－12×10×42) m＝40 m ，方向与初速度的方向相同．物体上升的最大高度：H ＝v 022g ＝3022×10 m ＝45 m ，物体上升的时间t 1＝v 0g ＝3010 s ＝3 s ，下降位移的大小为h ′＝12g (t －t 1)2＝5 m ，故路程为s ＝H ＋h ′＝50 m ，选项A 错误，B 正确；4 s 末的速度为v ′＝v 0－gt ＝－10 m/s ，则速度改变量的大小为Δv ＝|v ′－v 0|＝40 m/s ，选项C 错误；平均速度为v ＝x t ＝404 m/s ＝10 m/s ，选项D正确．4．(2018·锦屏中学模拟)取一根长2 m 左右的细线，5个铁垫圈和一个金属盘．在线端系上第一个垫圈，隔12 cm 再系一个，以后垫圈之间的距离分别为36 cm 、60 cm 、84 cm ，如图4所示，站在椅子上，向上提起线的上端，让线自由垂下，且第一个垫圈紧靠放在地上的金属盘．松手后开始计时，若不计空气阻力，则第2、3、4、5个垫圈( )图4A ．落到盘上的时间间隔越来越大B ．落到盘上的时间间隔相等C ．依次落到盘上的速率关系为1∶2∶3∶2D ．依次落到盘上的时间关系为1∶(2－1)∶(3－2)∶(2－3) 答案 B解析 由题意知，垫圈下落的位移之比为1∶4∶9∶16，根据其运动规律h ＝12gt 2判断落到盘上的时间间隔相等，A 项错误，B 项正确．由v ＝2gh 知，垫圈依次落到盘上的速率关系为1∶2∶3∶4，由t ＝2hg知，垫圈依次落到盘上的时间关系为1∶2∶3∶4，C 、D 项错误．1．做自由落体运动的物体，落到全程的一半和全程所用的时间之比是( ) A ．1∶2 B ．2∶1 C ．1∶ 2 D.2∶1 答案 C2．A 、B 两小球从不同高度自由下落，同时落地，A 球下落的时间为t ，B 球下落的时间为t2，当B 球开始下落的瞬间，A 、B 两球的高度差为(重力加速度为g )( ) A ．gt 2 B.38gt 2 C.34gt 2 D.14gt 2 答案 D解析 A 球下落高度为h A ＝12gt 2，B 球下落高度为h B ＝12g (t 2)2＝18gt 2，当B 球开始下落的瞬间，A 、B 两球的高度差为Δh ＝h A －12×g ×(t 2)2－h B ＝14gt 2，D 正确．3．从某高处(高度大于5 m)释放一粒小石子，经过1 s 从同一地点再释放另一粒小石子，不计空气阻力，则在它们落地之前的任一时刻( ) A ．两粒石子间的距离将保持不变，速度之差保持不变 B ．两粒石子间的距离将不断增大，速度之差保持不变 C ．两粒石子间的距离将不断增大，速度之差也越来越大 D ．两粒石子间的距离将不断减小，速度之差也越来越小 答案 B解析 当第一个石子运动的时间为t 时，第二个石子运动的时间为(t －1)．则有x 1＝12gt 2①v 1＝gt ② x 2＝12g (t －1)2③v 2＝g (t －1)④由①③得：Δx ＝gt －12g ，由②④得：Δv ＝g .因此，Δx 随t 增大，Δv 不变，选项B 正确．4．(2017·响水中学模拟)小明从某砖墙前的高处由静止释放一个石子，让其自由落下，拍摄到石子下落过程中的一张照片如图1所示．由于石子的运动，它在照片上留下一条模糊的径迹．已知每层砖的平均厚度为6.0 cm ，照相机本次拍照曝光时间为1.5×10－2 s ，由此估算出位置A 距石子下落起始位置的距离为( )图1A ．1.6 mB ．2.5 mC ．3.2 mD ．4.5 m 答案 C5．设宇航员在某行星上从高32 m 处自由释放一重物，测得在下落最后1 s 内所通过的距离为14 m ，则重物下落的时间是( ) A ．1 s B.47 s C ．3 s D ．4 s答案 D解析 设重物下落的时间为t ，下落的高度为h ，行星表面的重力加速度为g 0，则h ＝12g 0·t 2，h －14 m ＝12g 0·(t －1 s)2，由题意知h ＝32 m ，解得t 1＝4 s ，t 2＝47 s(舍去)，选项D 正确．6．(多选)一个小球做自由落体运动，它的下落高度足够高，取g ＝10 m/s 2，关于这个小球的运动情况，下列说法中正确的是( ) A ．小球在第3 s 内的下落高度为25 m B ．小球在前3 s 内的平均速度为30 m/sC ．小球在第1 s 内、第2 s 内、第3 s 内的平均速度之比是1∶3∶5D ．小球在前1 s 内、前2 s 内、前3 s 内的位移之比是1∶3∶5 答案 AC解析 小球在第3 s 内的下落高度等于前3 s 下落的高度减去前2 s 下落的高度，即h ＝12gt 32－12gt 22＝25 m ，A 正确；3 s 末的速度v t ＝gt ＝30 m/s ，前3 s 的平均速度v ＝v t 2＝15 m/s ，B 错误；由h ＝12gt 2得前1 s 内、前2 s 内、前3 s 内的位移之比是1∶4∶9，D 错误；小球在第1 s内、第2 s 内、第3 s 内的位移之比为1∶3∶5，由v ＝xt 可知，小球在第1 s 内、第2 s 内、第3 s 内的平均速度之比是1∶3∶5，C 正确．7．(多选)为了得到塔身的高度(超过5层楼高)数据，某人在塔顶使一颗石子做自由落体运动．在已知当地重力加速度的情况下，可以通过下面哪几组物理量的测定，求出塔身的高度( )A ．最初1 s 内的位移B ．石子落地的速度C ．最后1 s 内的下落高度D ．下落经历的总时间答案 BCD解析 由h ＝v 22g 知B 项正确；由h ＝12gt 2知D 项正确；设最后1 s 内的下落高度为x ，下落总时间为t ，总高度为h ，则h －x ＝12g (t －1)2，h ＝12gt 2，由此两式可求出h ，故C 项正确． 8．(2018·溧水中学模拟)某跳伞空降兵在离地面224 m 高处，由静止开始在竖直方向做自由落体运动．一段时间后，立即打开降落伞，以12.5 m /s 2的加速度匀减速下降，为了空降兵的安全，要求空降兵落地速度最大不得超过5 m/s(取g ＝10 m/s 2)．则( )A ．空降兵展开伞时离地面的高度至少为125 m ，相当于从2.5 m 高处自由落下B ．空降兵展开伞时离地面的高度至少为125 m ，相当于从1.25 m 高处自由落下C ．空降兵展开伞时离地面的高度至少为99 m ，相当于从1.25 m 高处自由落下D ．空降兵展开伞时离地面的高度至少为99 m ，相当于从2.5 m 高处自由落下答案 C解析 设空降兵做自由落体运动的高度为h 时速度为v ，此时打开伞开始做匀减速运动，落地时速度刚好为5 m/s ，这种情况空降兵在空中运动时间最短，则有v 2＝2gh ，v t 2－v 2＝－2a (H －h )，解得h ＝125 m ，v ＝50 m/s ，为使空降兵安全着地，他展开伞时离地面的高度至少为H －h ＝224 m －125 m ＝99 m ，选项A 、B 错误；他以5 m/s 的速度着地时，相当于从h ′高处自由落下，由v t 2＝2gh ′，得h ′＝v t 22g ＝252×10 m ＝1.25 m ，选项C 正确，选项D 错误． 9．一个气球以4 m/s 的速度匀速竖直上升，气球下面系着一个重物，当气球上升到下面的重物离地面217 m 时，系重物的绳断了．经过一段时间后，重物着地，此时重物的速度为(g 取10 m /s 2，重物所受空气阻力不计)( )A ．50 m/sB ．60 m/sC ．66 m/sD ．70 m/s答案 C解析 绳未断时，重物随气球以4 m/s 的速度匀速上升，绳断后，由于惯性，重物将在离地面217 m 处，以初速度4 m/s 做竖直上抛运动．如图所示，上升阶段重物做匀减速直线运动，上升高度h 1后到达最高点，下落阶段重物做自由落体运动，由对称性可知重物下落高度h 1时速度大小为v 0＝4 m/s ，重物着地时的速度为v ，则v 2－v 02＝2gh ，代入数据，解得v ＝66 m/s.10.如图2所示，木杆长5 m，上端固定在某一点，由静止放开后让它自由落下(不计空气阻力)，木杆通过悬点正下方20 m处圆筒AB，圆筒AB长为5 m，取g＝10 m/s2，求(结果可用根式表示)：图2(1)木杆经过圆筒的上端A所用的时间t1是多少？(2)木杆通过圆筒AB所用的时间t2是多少？答案(1)(2－3) s(2)(5－3) s解析(1)木杆由静止开始做自由落体运动，木杆的下端到达圆筒上端A用时t下A＝2h下A g＝2×1510s＝ 3 s木杆的上端到达圆筒上端A用时t上A＝2h上Ag＝2×2010s＝2 s则木杆通过圆筒上端A所用的时间t1＝t上A－t下A＝(2－3) s(2)木杆的上端到达圆筒下端B用时t上B＝2h上Bg＝2×2510s＝ 5 s则木杆通过圆筒所用的时间t2＝t上B－t下A＝(5－3) s11．(2018·泰州中学期中)如图3所示是一种较精确测重力加速度g值的方法：将下端装有弹射装置的真空玻璃直管竖直放置，玻璃管足够长，小球竖直向上被弹出，在O点与弹簧分离，上升到最高点后返回．在O点正上方选取一点P，利用仪器精确测得OP间的距离为H，从O点出发至返回O点的时间间隔为T1，小球两次经过P点的时间间隔为T2.图3(1)求重力加速度g ；(2)若O 点距离管底部的距离为L 0，求玻璃管的最小长度．答案 (1)8H T 12－T 22 (2)L 0＋T 12H T 12－T 22解析 (1)小球从O 点上升到最大高度过程中h 1＝12g (T 12)2 小球从P 点上升到最大高度过程中h 2＝12g (T 22)2 依据题意得h 1－h 2＝H ，联立解得g ＝8H T 12－T 22. (2)玻璃管的最小长度L ＝L 0＋h 1，故L ＝L 0＋T 12H T 12－T 22.。