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自由落体运动中的STS问题赏析 河南省卢氏县第一高级中学 徐建强 在我们生活的环境中，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，物体从静止开始下落的运动可以近似看作自由落体运动，如苹果的落地等现象，由此可见我们的周围存在很多这样的运动。 一、测定人的反应时间 日常工作中，有时需要人们反应灵敏，对于战士、驾驶员、运动员等更加是如此。人从发现情况到采取相应行动经过的时间成为反应时间，它反应了人的灵敏度。 例1．两位同学合作，甲捏住尺顶端，乙在尺下部作握尺的准备(但不与尺接触)，当看到甲放开手时，乙立即握住尺。如果测出直尺下落的高度为10cm，那么乙同学的反应时间是多少？若招收飞行员的反应时间要求是0.16s，从这个条件上说乙同学符合飞行员这一要求吗？  解析：人的反应时间在该题中，指人看到直尺下落到手刚捏住尺子，读出直尺下落的高度，就可运用自由落体规律求出直尺的下落时间，即乙同学的反应时间。 直尺放手后做自由落体运动，由运动规律有： 下落高度：  ，则下落时间： 乙同学反应时间为0.14s，符合飞行员对反应时间的要求。 点评：如果教师在教学中使用这个趣味实验，可以增加学生学习的兴趣，进而提高课堂效率。 【变式练习1】利用自由落体运动的知识，设计一把测量反应时间的尺子，要求写出设计方案和相关计算式。 二、测定楼的高度 例2．一学习小组为了测量某高楼的高度，设计了如下实验方案：在一根长l的绳两端各栓一个重球，一人站在楼顶，手拿绳上端无初速度释放使其自由下落，另一人在楼下测量两球落地的时间差值为  ，即可根据l、g、得出楼的高度。（不计空气阻力）（1）从原理上讲，这个方案是否正确？ （2）若测得l=10cm， =0.4s，g取10m/s2，估算楼的高度多大？解析：（1）放手后两球均做自由落体运动，开始时刻相同，由于下落高度不同，所以落地时间不同，根据自由落体运动规律可求出楼高，方案可行。 （2）设楼的高度为h，上面小球下落高度  ，下面小球下落高度 。联立以上两式解得：t=2.3s点评：解答此题关键理解两球下落高度和下落时间的区别，这样解答起来就简单了。换个角度思考，其实此题展示了一种测量本地重力加速度的方法。 【变式练习2】一雨滴自屋檐自由落下，如右图所示，在 =0.25s内通过高度为 =2m的窗口，求窗口的顶端距屋檐多少米？三、滴水法测定当地重力加速度 例3．在工业中有一种叫做“重力探矿”的方法，它是利用不同地区重力加速度差异进而分析不同地区的地质密度差异，进而确定某地区是否有矿藏。利用滴水法即可测量当地的重力加速度，在自来水龙头下放一空盘子，让水一滴一滴的滴入盘中，并调节使第一滴水落入盘底时，第二滴水恰好开始下落。若给实验者的测量仪器是直尺和秒表，如何利用上述仪器测量当地重力加速度？需要测量哪些物理量，写出重力加速度g的表达式。 解析：水滴下落可看作自由落体运动，则自由落体运动的规律和给的器材，应测出一滴水下落的高度h和时间t，由于用秒表测一滴水下落的时间误差较大，应测量听到n滴水声的时间T，则每滴水下落的时间  ，由得， 。点评：本题是一个探究设计性实验，学生除解答试题外，完全可以亲自动手实验，从而培养学生的创新和实践能力，符合新课程标准的要求。 【变式练习3】一矿井深125m，在井口每隔一段时间下一个小球，当第11个小球刚从井口开始下落时，第一个小球恰好到达井底，则 （1）相邻两个小球下落的时间间隔是多少？ （2）这时第3个小球与第5个小球相距多少米？ 提示：把11个小球的下落想象出拍成了一张频闪照片，就会发现和打点计时器打出来的纸带上的点迹十分类似，即可用处理纸带的方法解决此题。 四、测定月球表面的“重力加速度” 1969年美国实现登月，这是人类首次登月成功，在一次登月活动中，宇航员David R.Scott在月球上证实了榔头与羽毛下落一样快，月球的引力加速度为1.67m/s2。 例4．若一宇航员为了测定月球表面的重力加速度，他利用一个小石子在月球地面附近做自由落体运动，则根据下列哪些测量值可得出月球表面的“重力加速度”（ ） A．石子下落的高度和时间 B．石子着地时的速度和下落时间 C．石子下落高度 D．石子的质量和下落高度 解析：由 得 ，则A选项正确，由 ，得 ，则B正确。点评：以上试题均以生活、生产中的现象为题材，考察自由落体运动的规律，从而使得试题具有开放性，灵活性，从而体现了从生活走向物理，从物理走向生活的新课程理念。 (责任编辑：admin) |