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牛顿力学

自由落体

验证真空中所有物体不论质量都以相同加速度 a=ga=g 下落,且下落距离满足 s=12gt2s=\tfrac12gt^2。读取滑块上的时间与加速度,将距离–时间图与理论曲线对照。

初中

器材

  • 从同一高度同时释放的虚拟轻重两物体
  • 时间滑块 t(0–40 s)与加速度参数滑块 g(0.4–4.0 m/s²)
  • 下落距离–时间图与暂停按钮
  • 读数 h=12gt2h=\tfrac12gt^2(g=9,8 m/s2g=9{,}8\ \mathrm{m/s^2})

实验步骤

  1. 同时释放两物体

    将参数滑块设在 g ≈ 4.0 m/s² 并推进时间滑块:重物与轻物始终处于同一高度——忽略阻力时,下落加速度与质量无关。

  2. 验证下落距离

    在图2中用滑块读取时间 t,将图上的点与 s=12gt2s=\tfrac12gt^2 比较:t = 2.0 s、g = 9.8 m/s² 时 s ≈ 19.6 m。曲线为抛物线——距离随时间平方增长。

  3. 改变重力并预测

    把参数滑块调至最小 g,在同一时刻 t 暂停:两物体仍一起下落但更慢——s–t 曲线按 g 的比例变平。预测 t 固定时 g 减半的 s 值,再在图上验证。

模拟

实验历史

伽利略·伽利莱质疑亚里士多德“重物落得更快”的说法。17世纪初的斜面实验表明滚动距离与时间平方成正比——从比萨斜塔投物的传说由其学生维维亚尼记述,但缺乏直接证据。 艾萨克·牛顿把这一结果纳入体系:在《原理》(1687年)中引力正比于质量,而惯性恰好以同样的质量阻碍运动,故任何物体都有 a=ga=g。1971年,阿波罗15号宇航员戴维·斯科特在月球上同时放开锤子和羽毛——两者在镜头前同时落地。

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