竖直上抛运动是物体以一定的初速度竖直向上抛出,然后受重力作用先上升后下降的运动。
什么是竖直上抛运动?
竖直上抛运动:物体以初速度 v0 竖直向上抛出,只受重力作用的运动。
通俗理解:向上扔东西,它先上升,达到最高点后下降。
- 有初速度(v0>0):向上抛出
- 加速度恒定(a=−g):重力加速度向下
- 上升和下降:先上升,后下降
运动过程
- 上升阶段:速度逐渐减小,到达最高点速度为零
- 最高点:速度为零,高度最大
- 下降阶段:速度逐渐增大(向下),回到出发点
基本公式
竖直上抛运动是匀加速直线运动(a=−g),所以使用匀加速运动的公式,注意加速度为负:
公式 1:速度公式
v=v0−gt
其中:
- v:瞬时速度(向上为正)
- v0:初速度(向上)
- g:重力加速度(g=9.8 m/s2)
- t:时间
含义:速度 = 初速度 - 重力加速度 × 时间
注意:
- 上升时:v>0(向上)
- 最高点:v=0
- 下降时:v<0(向下)
公式 2:位移公式(高度公式)
h=v0t−21gt2
其中:
- h:高度(从抛出点算起,向上为正)
- v0:初速度
- g:重力加速度
- t:时间
含义:高度 = 初速度 × 时间 - ½ × 重力加速度 × 时间的平方
公式 3:速度-高度关 系式
v2=v02−2gh
其中:
- v:瞬时速度
- v0:初速度
- g:重力加速度
- h:高度
含义:瞬时速度的平方 = 初速度的平方 - 2 × 重力加速度 × 高度
重要参数
1. 上升时间
物体到达最高点所用的时间:
t上=gv0
推导:在最高点,v=0,由速度公式 0=v0−gt上,得到 t上=gv0
2. 最大高度
物体能达到的最大高度:
h最大=2gv02
推导:在最高点,v=0,由速度-高度关系式 0=v02−2gh最大,得到 h最大=2gv02
3. 总时间
物体从抛出到回到抛出点的时间:
t总=g2v0=2t上
含义:上升和下降时间相等,总时间是上升时间的 2 倍
4. 回到抛出点的速度
物体回到抛出点时的速度:
v返回=−v0
含义:速度大小相等,方向相反(向下)
运动对称性
竖直上抛运动具有对称性:
时间对称
- 上升时间和下降时间相等:t上=t下
- 总时间是上升时间的 2 倍:t总=2t上
速度对称
在相同高度处:
位移对称
- 上升和下降经过相同的路径
- 在相同时间间隔内,位移大小相等(方向相反)
常见问题
1. 求最大高度
已知初速度,求最大高度:
h最大=2gv02
例子:以 20 m/s 的初速度竖直上抛,求最大高度。
h最大=2×9.8202=19.6400≈20.4 m
2. 求上升时间
已知初速度,求上升时间:
t上=gv0
例子:以 20 m/s 的初速度竖直上抛,求上升时间。
t上=9.820≈2.04 s
3. 求某一时刻的高度
已知初速度和时间,求高度:
h=v0t−21gt2
例子:以 20 m/s 的初速度竖直上抛,求 3 秒后的高度。
h=20×3−21×9.8×32=60−44.1=15.9 m
注意:此时物体已经在下降阶段。
4. 求某一时刻的速度
已知初速度和时间,求速度:
v=v0−gt
例子:以 20 m/s 的初速度竖直上抛,求 3 秒后的速度。
v=20−9.8×3=20−29.4=−9.4 m/s
注意:负号表示速度向下。
实际应用