ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 9 класс · § 21
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 21. Движение тела под действием силы тяжести

Почему брошенный вверх мяч продолжает свободное падение даже во время подъёма?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему брошенный вверх мяч продолжает свободное падение даже во время подъёма?

Наблюдаем и объясняем

Вертикальный и горизонтальный бросок

Меняй режим и продвигай время до касания земли. Отдельно наблюдай скорость и ускорение.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

20 м/с
20 м
25 %

g = 10 м/с², сопротивления нет. Высота h применяется только к горизонтальному запуску; вертикальный бросок начинается на уровне земли.

01

Свободное падение: условие на силы

Свободным падением называют движение под действием только силы тяжести. Оно возможно вниз, вверх и в сторону: термин указывает на действующую силу, а не на направление скорости. Близко к поверхности Земли в небольшой области g считают постоянным.

Ускорение всех свободно падающих тел в одном месте одинаково: из F = mg и a = F/m получается a = g. Различия падения пера и камня в воздухе связаны с сопротивлением среды. В школьных расчётах ниже принято g = 10 м/с², если явно не указано иное.

Свободное падение: условие на силы: сравнение
СлучайСвободное падение?
Камень без заметного сопротивленияПриближённо да
Мяч после броска вверхДа при пренебрежении воздухом
Парашютист на установившейся скоростиНет, существенно сопротивление

Свободное падение определяется действующими силами, а не направлением движения.

Зависит ли g от массы падающего тела?

В данной модели нет: масса сокращается при делении силы тяжести на массу.

02

Вертикаль: одна ось и знаки

Направим Oy вверх. Тогда aᵧ = −g, vᵧ = v₀ᵧ − gt, y = y₀ + v₀ᵧt − gt²/2. При броске вверх v₀ᵧ положительна; при броске вниз — отрицательна. В верхней точке скорость равна нулю, ускорение остаётся −g.

Для броска вверх с 20 м/с подъём длится 2 с, высота над точкой броска 20 м. Возвращение на тот же уровень занимает 4 с, скорость там −20 м/с. Симметрия относится к отсутствию сопротивления и одинаковым начальной и конечной высотам.

Скорость

vᵧ = v₀ᵧ − gt

Высота над стартом

Δy = v₀ᵧt − gt²/2

Максимальный подъём

H = v₀ᵧ²/(2g) при v₀ᵧ > 0

В верхней точке вертикального броска ускорение не исчезает.

Почему нельзя положить g = 0 в верхней точке?

Сила тяжести продолжает действовать. Нулевая скорость в один момент не означает нулевого изменения скорости.

Водопад Виктория на Замбези

Свободное падение — идеализация действия только тяжести. Для капель в воздухе может быть существенно сопротивление.

Vberger · Общественное достояние · Источник фотографии.

Схема броска под углом к горизонту

Вертикальную и горизонтальную части движения рассматривают раздельно, сохраняя для них общее время.

MikeRun · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

03

Горизонталь: независимые компоненты

При горизонтальном броске с высоты h начальная вертикальная скорость равна нулю. Горизонтально x = v₀t, вертикально y = h − gt²/2. Время до уровня земли t = √(2h/g), дальность L = v₀√(2h/g).

При h = 20 м, v₀ = 5 м/с и g = 10 м/с² время равно 2 с, дальность 10 м. Если увеличить только горизонтальную скорость, время падения с прежней высоты не изменится в этой модели.

По горизонтали

Нет ускорения, vₓ постоянно

По вертикали

Ускорение −g

Вместе

Параболическая траектория

Горизонтальное движение не меняет время падения с заданной высоты в идеальной модели.

Почему два одновременно отпущенных тела могут коснуться земли вместе, хотя одно бросили горизонтально?

Их вертикальные начальные условия одинаковы. Горизонтальная скорость меняет дальность, а не вертикальное движение.

04

Границы: когда формулы работают

Считаем Землю плоской на малом участке, ускорение постоянным, сопротивление пренебрежимо малым. Для больших высот, длительных полётов и тел с большой площадью эти допущения могут быть непригодны. Формулу движения заканчивают в момент касания поверхности.

В интерактиве доступны вертикальный бросок и горизонтальный запуск. Положение, скорость и ускорение изображены отдельно. Траектория показывает пройденные положения, стрелка скорости — касательную в текущий момент.

Выбрать ось

Задать знак g

Записать начальные условия

Высота и две скорости

Ограничить полёт

До первого столкновения с землёй

Формулы полёта не описывают движение сквозь землю после приземления.

Почему ускорение в модели не равно точно 9,81 м/с²?

Использовано явно указанное школьное округление 10 м/с². В точном расчёте берут значение для места и условий задачи.

Соберём главное

Шесть выводов

01Свободное падение определяется действующими силами, а не направлением движения.
02В верхней точке вертикального броска ускорение не исчезает.
03Горизонтальное движение не меняет время падения с заданной высоты в идеальной модели.
04Формулы полёта не описывают движение сквозь землю после приземления.
05Время подъёма v₀/g относится к положительной начальной вертикальной скорости.
06Горизонтальная и вертикальная составляющие скорости рассчитываются отдельно.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Свободное падение в идеальной модели происходит под действием…
2. При оси y вверх проекция ускорения…
3. Тело брошено вверх. В верхней точке его ускорение…
4. При v₀ = 20 м/с и g = 10 м/с² время подъёма…
5. Для тех же условий высота подъёма…
6. При возвращении на уровень броска без сопротивления модуль скорости…
7. При горизонтальном броске начальная вертикальная скорость…
8. При падении с высоты 20 м без начальной вертикальной скорости и g = 10 м/с² время…
9. Если горизонтальная скорость 5 м/с и время 2 с, дальность…
10. В вакууме тела разной массы в одном месте имеют…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 9 класс», § 21. Тема и содержание сверены с файлом «9 класс. Физика — § 21. силы тяжести.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…