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物理 · 力学

自由落体与重力加速度

自由落体是忽略空气阻力等其他力、物体只受重力作用的运动。在地表附近,即使质量不同,物体的速度也以相同的重力加速度变化。

相关实验:自由落体与重力 →
自由落体与重力
自由落体与重力实验场景 →

较重的物体会受到更大的引力作用,但它们不会同时下落。为什么?

在地表附近,物体所受重力的大小为 mg。质量 m 越大,重力越大,但产生相同加速度所需的力也与质量成正比。将 F = mg 代入牛顿运动定律 F = ma,得到 a = g,质量因而约去。

因此,在同一高度同时由静止释放的两个物体,在没有空气阻力时会同时到达地面。这个结论还包含释放时刻和初速度相同的条件。向上抛出的物体与由静止释放的物体不属于相同条件。

根据时间,速度和下落的距离会如何变化?

假设以正向(向下)为参照,当置于静止状态时,速度为 v = gt。 掉落的距离为 h = ½gt²。 速度与时间成正比,但掉落的距离与时间的平方成正比。 在 1 秒内掉落的距离大于 1 秒内掉落的距离。

秋季的时间是 t = √(2h/g)。 增加高度,会使时间乘以 √2,而不是 2。 在月球上,由于 g 比地球小,从相同高度下,下落的时间会更长。 这里,g 作为一个正值;如果向上是正方向,则加速度带有负号。

真实落体与理论模型之间的差异是什么?

在空气中,阻力取决于物体形状、横截面积和速度。因此,一张平整的纸和同一张被揉皱的纸,即使它们的质量相同,也会以不同的时间下落。当阻力与重力平衡时,加速度变为 0,物体可以达到终端速度。

这个页面的公式假设一个恒定的 g,忽略空气阻力,并且假设起始点是静止的。然而,由于 'g' 随着地点变化,特别是在高处或远离天体的地点,其值会变化,因此不能直接应用。

关键关系与符号

v = gt · h = ½gt² · t = √(2h/g)

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
g引力加速度的幅度m/s²
h起始点的垂直距离m
t秋季s
v下行速度的幅度m/s

工作实例

从 19.6 米的高度抛下的小球,需要多长时间才能到达地面?

如果 g = 9.8 m/s²,那么 t = √(2 × 19.6 / 9.8) = 2 s。 抵达前的速度为 19.6 m/s。 仅改变质量,会导致这两个值保持不变。

常见误解

  • 自由落体与质量无关,并不意味着空气中的所有物体总会同时落地。
  • 下落过程中保持不变的是加速度,而不是速度。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理章节 (英文)