概念
不受任何阻力,只在重力作用下而降落的物體,叫“自由落體”。
如在地球引力作用下由靜止狀態開始下落的物體。地球表面附近的上空可看作是恆定的重力場。如不考慮大氣阻力,在該區域內的自由落體運動是勻加速直線運動。其加速度恆等於重力加速度g。雖然地球的引力和物體到地球中心距離的平方成反比,但地球的半徑遠大於自由落體所經過的路程,所以引力在地面附近可看作是不變的,自由落體的加速度即是一個不變的常量。它是初速為零的勻加速直線運動。自由落體運動的特點,體現在“自由”二字上,其含意為:物體開始下落時是靜止的即v0=0。如果給物體一個初速度豎直下落,不能算自由落體。物體在下落過程中,除受重力作用外,不再受其他任何作用力(包括空氣阻力)。
自由落體的瞬時速度的計算公式為v=gt;位移的計算公式為h=1/2·gt^2。通常在空氣中,隨著自由落體運動速度的增加,空氣對落體的阻力也逐漸增加。當物體受到的重力等於它所受到的阻力時,落體將勻速降落,此時它所達到的最高速度稱為終端速度。例如傘兵從飛機上跳下時,若不張傘其終端速度約為50米/秒,張傘時的終端速度約為6米/秒。
實驗驗證
自由落體下落的時間太短,當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難,伽利略採用了間接驗證的方法,他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下,做了上百次的實驗,小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多,所以時間容易測量些。實驗結果表明,光滑斜面的傾角保持不變, 從不同位置讓小球滾下,小球通過的位移跟所用時間的平方之比是不變的即位移與時間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動,換用不同質量的小球重複上述實驗,位移跟所用時間的平方的比值仍不變,這說明不同質量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的。 不斷增加大斜面的傾角,重複上述實驗,得出的值隨斜面傾角的增加而增大,這說明小球做勻變速運動的加速度隨斜面傾角的增大而變大。
合理外推
伽利略將上述結果做了合理的外推,把結論外推到斜面傾角增大到90°的情況,這時小球將自由下落,成為自由落體伽利略認為,這時小球仍然會保持勻變速運動的性質。這種從斜面運動到落體運動的外推,是很巧妙的。不過,用外推法得出的結論,並不一定都是正確的。現代物理研究中也常用外推法,但用這種方法得到的結論都要經過實驗的驗證才能得到承認。
參考文獻
http://baike.baidu.com/view/600.htm