(共50张PPT)
第四章
运动和力的关系
1.牛顿第一定律
01
02
03
高端教学引领
课前自主学习
课堂合作探究
课程标准 素养目标
1.通过实验,结合物理学史的相关 内容,认识物理实验与科学推理在 物理学研究中的作用。 2.查阅资料,了解亚里士多德关于 力与运动的主要观点和研究方法。 3.查阅资料,了解并讨论伽利略关 于物体运动的实验研究对科学发 展和人类进步的重大意义。 1.惯性的概念。(物理观念)
2.牛顿第一定律、理想实验的方法。
(科学思维)
3.伽利略理想实验。(科学探究)
4.对牛顿第一定律和惯性的理解,了
解科学思想的建立过程。(科学态度
与责任)
01
高端教学引领
【教学建议】
1.理想实验的魅力:
任务 建议
人类对运动 与力的关系 的认识历程 课前让学生查找相关物理学家的生平和对力和运动的观点,
课堂上让学生进行展示
理想实验的 魅力 先在课堂上演示伽利略理想实验,在解释伽利略理想实验时
可适当运用“flash动画”把问题具体化、直观化,同时渗透伽利
略对理想实验的构思过程和思考,使学生不但能理解伽利略
理想实验的内容,也经历物理的科学探究和思辨过程
2.牛顿第一定律:
3.惯性与质量:
任务 建议
牛顿第一 定律 通过对“牛顿第一定律的学习”使学生理解:
(1)运动和力的关系
(2)一切物体都具有惯性
任务 建议
惯性 对惯性的教学,应加强演示实验,多与生活中的事例相联系,
使学生明确影响惯性大小的因素,培养学生运用物理知识分
析问题和解决问题的能力
【情境导引】
飞机在远程转场时,通常都挂上副油箱以增加航程,但也增加了飞机的
重量,消耗了飞机的推力,同时影响飞机的气动性能和雷达投影。在空战中,
尤其是近距离空战,会一定程度妨碍机头指向性。所以,在进入作战状态后,
战机都会优先抛弃副油箱。
问题导引:
(1)力和运动有什么样的关系
(2)在进入作战状态后,战机为什么要抛弃副油箱
02
课前自主学习
一、理想实验的魅力
任务驱动:人推车走,不推车停,由此看来必须有力作用在物体上,物体才运
动,没有力作用在物体上,物体就不运动——这是两千多年前亚里士多德的
观点。这样的观点对吗
提示:不对。
1.伽利略理想实验:小球沿斜面由静止滚下,再滚上另一斜面,如不计摩擦,
小球将滚到原高度处,减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到
_________,若将斜面放平后,球将_____________。
2.伽利略理想实验的本质是_______________________________________
_______,抓住事物的本质。
3.伽利略通过“理想实验”和科学推理,得出的结论是:_________________
_________。
同一高度
永远滚动下去
想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦
力去掉
力不是维持物体运
动的原因
二、牛顿第一定律
1.内容:一切物体总保持___________________________,除非___________
_________________________。
2.意义:
(1)牛顿第一定律明确了_______________。
(2)牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体
运动状态的原因。
匀速直线运动状态或静止状态
作用在它上
面的力迫使它改变这种状态
力和运动的关系
三、惯性和质量
任务驱动:匀速行驶的汽车遇到紧急情况突然刹车时,车中乘客会向哪个方
向倒 这是什么原因造成的
提示:向前 惯性
1.惯性定义:物体具有保持原来_____________状态或静止状态的性质。
2.物体惯性大小的唯一量度:物体的_____。
匀速直线运动
质量
【易错辨析】
(1)伽利略的理想实验说明了力是维持物体运动的原因。( )
(2)牛顿第一定律是可以通过实验验证的。( )
(3)牛顿认为力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。( )
(4)牛顿第一定律说明一切物体都具有惯性。( )
(5)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。( )
提示:(1)×。伽利略的理想实验说明了力不是维持物体运动的原因。
(2)×。牛顿第一定律是在实验的基础上利用逻辑思维进行分析的产物,不能用实验直接
验证。
(3)√ (4)√
(5)×。惯性是物体的固有属性。
03
课堂合作探究
主题一 理想斜面实验
任务1 人们对力和运动的关系的认识过程
【生活情境】
情境1:运动情境——运动员将标枪从手中高速抛出,标枪在空中飞行很远
才落地。(如图1所示)
情境2:人们在乘坐汽车等交通工具时,都要求在行驶前系好安全带。(如图2
所示)
【问题探究】
(1)情境1中,有人认为“标枪在空中向前飞行”时,是由于标枪一直受到向前
的力的作用。这种观点与历史上哪位著名科学家相同 这种观点对吗
提示:亚里士多德 不对
(2)情境2中,乘坐汽车的人系好安全带,可以有效减小在发生交通事故时对
人的伤害,这是为什么
提示:系好安全带乘车,在发生交通事故时可以使人和车同时减速,以减小对
乘客的伤害。
任务2 理想斜面实验
【实验情境】
情境:现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片
【问题探究】
上述实验可看成三个情境,如图:
(1)图甲中小球在对称斜面上由静止无摩擦滚下,能否到达对应的等高处
提示:能。因无摩擦,没有能量损失,小球能到达对应的等高处。
(2)图乙中减小另一侧斜面倾角,小球从同一位置自由释放仍无摩擦滚下,能否滚
到等高处 滚动的水平距离怎样变化
提示:能。小球从同一位置自由释放能滚到对应的等高处;滚动的水平距离增大。
(3)图丙中把另一侧斜面放平,小球能否在平面上一直滚下去 为什么
提示:能。运动的小球在水平方向不受摩擦阻力,小球将一直匀速运动下去。
【结论生成】
1.历史上对力与运动关系的重要观点
人物 亚里士多德(古希腊) 伽利略(意大利) 笛卡儿(法国) 牛顿(英国)
时期 2300年前 16世纪中期 16世纪晚期 17世纪中期
观点 力是维持物体运 动的原因 物体的运动不需 要力来维持 物体运动状态的 变化是有原因的 力是物体运动状
态改变的原因
依据 根据直觉经验提出 利用理想实验对 经验进行科学推理, 建立了科学的研究 方法 进一步补充和完 善了伽利略的论点 在前人基础上,根
据自己研究,系统
归纳,科学推理,总
结得出定律
结论 错误 片面(存在不足) 进一步完善运动 和力的关系 奠定了动力学基础
2.伽利略的理想斜面实验
(1)现象:两个对接的斜面,让静止的小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一
个斜面。
(2)推论:
①如果没有摩擦,小球将上升到释放时的高度。
②减小第二个斜面倾角,小球在这个斜面上仍然要到达原来的高度。
③将第二个斜面放平,小球为了到达释放时的高度,将一直运动下去。
(3)结论:物体的运动不需要力来维持,即力是改变物体运动状态的原因。
3.运动状态改变的三种情况
物体的运动状态就是指物体的运动速度,运动状态改变就是指运动速度的
改变,而速度是矢量,既有大小,又有方向。故运动状态改变有以下三种情况:
①速度的方向不变,大小改变,如匀加速直线运动。
②速度的方向改变,大小不变,如汽车拐弯时保持速率不变的曲线运动。
③速度的方向改变,大小改变,如摆球的自由摆动。
【典例示范】
亚里士多德是古代伟大的哲学家、科学家和教育家之一,但由于历史的局
限性,亚里士多德的有些认识是错误的。一位科学家为了证明亚里士多德
的一个结论的错误,设计了一个理想斜面实验,如图是这个实验的示意图。
(1)设计这个实验的科学家是 (选填“牛顿”或“伽利略”),这个理想
实验说明:力 (选填“是”或“不是”)维持物体运动的原因。
(2)同学们在讨论小球的运动时,提出了以下说法,正确的是 ( )
A.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了沿斜面向上的力
B.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了惯性的作用
C.静止的小球没有惯性,运动的小球有惯性
D.惯性只与小球本身的质量有关,与小球是否受力无关
(3)在物理学的重大发现中科学家们创造出了许多物理学方法。该实验所
用研究方法是( )
A.理想实验法 B.极限思想法
C.建立物理模型法 D.微元法
【解析】 (1)理想斜面实验设计者是伽利略,这个理想实验说明力不是维持
物体运动的原因,亚里士多德的“力是维持物体运动状态的原因”的结论是
错误的。
(2)小球能够滚上另一个斜面,是因为小球具有惯性,惯性是物体保持原来运
动状态的性质,惯性只与小球本身的质量有关,与其他无关,D正确,A、B、C
错误。
(3)理想斜面实验所用研究方法是理想实验法。
答案:(1)伽利略 不是 (2)D (3)A
【探究训练】
1.伽利略是公认的第一个采用理想实验进行研究的物理学家,这里所说的
“理想实验”是指( )
A.一种实验器材 B.一种实验现象
C.一种思维方法 D.一种物理规律
【解析】选C。伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体
运动的摩擦力去掉,抓住事物的本质。这种依据逻辑推理把实际实验理想
化的思想也是研究物理问题的重要方法之一。这里所说的“理想实验”是指
一种思维方法,故C正确。
√
2.(多选)如图所示的装置可以演示伽利略的理想斜面实验,装置为两个平滑对接
的斜面,让小球沿左边的斜面滚下,并滚上右边的斜面,然后改变右边斜面的倾角,
重复操作,利用曝光频率一定的相机拍下小球在运动过程中的图片,则 ( )
A.该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据,
因此牛顿第一定律是实验定律
B.由图可知小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小,因
此证实了“物体的运动需要力维持”
C.当右侧的斜面水平时,小球近似做匀速直线运动,说明“如果没有外力的作用,小
球将在水平面上永远运动下去”
D.如果没有摩擦,小球在右边的斜面上将运动到与左边释放点相同的高度
√
√
【解析】选C、D。该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据,但没
有摩擦力只是一种假设,所以该实验是一种理想化实验,牛顿第一定律不是
实验定律,所以A错误;小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小是因为受力的
作用,说明力是改变物体运动状态的原因,B错误;根据图片可知,右侧的斜面
水平时,小球近似做匀速直线运动,如果没有外力作用,小球将在水平面上永
远运动下去,故C正确;如果没有摩擦,小球一定会上升到与左边释放点相同
的高度,D正确。
3.在牛顿第一定律建立的过程中,有多位伟大的科学家做出了贡献。关于
科学家和他们的贡献,下列说法正确的是 ( )
A.亚里士多德根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
B.牛顿根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
C.伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
D.笛卡儿根据理想斜面实验提出力是改变物体运动状态的原因
【解析】选C。伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因,
故C正确。
√
主题二 牛顿第一定律
【生活情境】
如图所示,冰壶在冰面上运动。如果摩擦阻力比较大,冰壶很快停下来;如果
摩擦阻力很小,冰壶能滑得很远;如果摩擦阻力为零,冰壶将永远运动下去。
【问题探究】
(1)牛顿第一定律中“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明运
动与力有什么关系
提示:说明力是改变物体运动状态的原因。
(2)根据牛顿第一定律思考,如果物体不受外力作用,物体将处于什么状态
提示:原来静止的物体,不受外力时,仍然静止;原来运动的物体,不受外力时,
速度保持不变,将永远做匀速直线运动。
【结论生成】
对牛顿第一运动定律的理解
【特别提醒】牛顿第一定律只适用于惯性参考系中的运动,在非惯性参考系中不适用。
牛顿第一定 律的含义 提出了惯性的概念——物体具有保持匀速直线运动状态或静止状
态的性质
揭示了力和运动的关系——力是改变物体运动状态的原因,而不是
维持物体运动的原因
物体不受外力时将保持原来的运动状态,可以把“不受外力”拓展延
伸为“所受外力的合力为0”
注意的问题 牛顿第一定律不是实验定律,源于伽利略的理想实验
【典例示范】
如图所示,在一辆表面光滑且足够长的小车上,有质量为m1和m2的两个小球
(m1>m2),两个小球随车一起运动,当车突然停止运动时,若不考虑其他阻力,
则两个小球( )
A.一定相碰 B.一定不相碰
C.不一定相碰 D.无法确定
【解析】选B。小车表面光滑,因此两小球在水平方向上没有受到外力的
作用。原来两个小球与小车具有相同的速度,当车突然停止运动时,由于惯
性,两个小球的速度不变,所以不会相碰,故B正确,A、C、D错误。
√
[规律方法] 牛顿第一定律巧应用
(1)由“因”索“果”:在判断力与运动之间的关系时,一定要把握准牛顿第一定律的
含义,即力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。
(2)由“果”索“因”:如果物体的运动状态发生改变,则物体必然受到不为零的合外
力的作用,所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变,应分析物体的受力
情况。
(3)应用步骤:应用牛顿第一定律解释有关现象时,一要看物体原来的运动状态,二
要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零,最后判断由于物体具有惯性将会
出现的现象。
【探究训练】
1.中国古代物理学上的有些成就在当时是世界领先的。春秋战国时代(公
元前770~前221年),我国学者墨子对力与运动的关系作了这样的阐述:“力,
刑之所以奋也。”这句话的意思是:力能使物体由静止开始运动,或使运动
的物体运动得越来越快。下列说法中,与墨子观点相符合的是( )
A.物体位置发生改变,一定受到力的作用
B.物体速度发生改变,一定受到力的作用
C.物体运动得越快,受到的力一定越大
D.物体运动变慢,可以不受到力的作用
√
【解析】选B。由题意可知:“力,刑之所以奋也。”这句话的意思是:力能使
物体由静止开始运动,或使运动的物体运动得越来越快;物体位置发生改变,
但是其运动状态不一定改变,比如物体做匀速直线运动,位置发生了变化,没
有受到力的作用,故A错误;力起到了改变物体运动状态的作用,故与“力是
改变物体运动状态的原因”的观点相符合,故B正确;物体运动得越快,表示物
体速度越大,但受到的力不一定越大,故C错误;物体运动变慢,说明物体的运
动状态发生了变化,一定受到了力的作用,故D错误。
2.(多选)下列说法中正确的是 ( )
A.水平路面上用力推车,车才前进,人停止推车,车就会逐渐停下来
B.力作用在物体上,物体才能动,没有力的作用,物体就不能运动
C.地面上滑行的物体会停下来,是受摩擦力作用的结果
D.物体以一定的初速度在不同的地面上滑行,摩擦力越小,滑行的距离越大
【解析】选A、C、D。力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态
的原因,用力推车,车才前进,力改变了车的运动状态,即从静止到运动,人若停止推
车,则车在摩擦力作用下逐渐停止,所以A正确;同理C正确;在光滑水平面上匀速
运动的物体所受合外力为零,在不受外力的情况下,它将永远运动下去,B错误;摩
擦力越小,越难改变物体的运动状态,所以D正确。
√
√
√
主题三 惯性和质量
【生活情境】
情境1:赛车可以在赛场中快速加速。
情境2:货车启动过程中的加速缓慢。
【问题探究】
(1)赛车与货车的牵引力相差不大,但在由静止启动时,赛车的运动状态很容易发
生改变,速度急速增加,而货车的运动状态很难改变,速度只能缓慢增加,这是为什
么
提示:货车的质量远大于赛车的质量,质量大的物体惯性大,运动状态不容易改变。
(2)刹车时,货车很难停下来;而赛车很容易停下来。这是为什么
提示:质量大惯性大,运动状态不容易改变。
(3)有的同学总认为:惯性与物体的运动速度有关,速度大,惯性大;速度小,惯性就
小。理由是物体的运动速度大不容易停下来,这种看法对吗
提示:不对。惯性的大小与速度无关,只与物体的质量大小有关。
【结论生成】
1.对惯性的理解
(1)惯性是物体的固有属性,任何物体在任何状态下都有惯性。物体的惯性
与物体的地理位置、运动状态、受力情况无关。因此物体的惯性是不能
被克服的。
(2)惯性不是力,惯性是物体具有的保持匀速直线运动状态或静止状态的性
质,力是物体对物体的作用,惯性和力是两个不同的概念。
(3)表现形式
①在不受力的条件下,惯性表现出“保持”“原来的”运动状态的性质,有“惰性”
的意思。
②在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度,质量越大、惯性越
大,运动状态越难以改变。
2.惯性的量度
质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大、惯性越大;质量越小、惯性越
小;质量不变,惯性不变。
3.惯性和惯性定律
项目 惯性 惯性定律
基本含义 物体的一种属性 物体运动的规律
理解 要点 ①与是否运动无关,与速度大小无关 ②与是否受力无关 ③与所在位置无关(在地球、月球上都一样) ④只与质量有关 ①物体的运动具有“惰性”,“力”
是改变这种“惰性”的唯一原因
②惯性越大,运动状态越难改变
与力的 关系 ①无关 ②惯性不是一种特殊的力 强调了“力”的作用效果——
改变运动状态(产生加速度)
联系与 区别 ①由于物体具有惯性,所以运动不需要力来维持 ②惯性是物体的属性,惯性定律是物体的运动规律 【特别提醒】
(1)在不受力(或合外力为零)的条件下,惯性表现为保持原来的运动状态。
(2)在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大,惯性越
大,运动状态越难改变。
【典例示范】
【典例1】在东汉王充所著的《论衡·状留篇》中提到:“是故湍濑之流,沙石转而大石不
移。何者 大石重而沙石轻也。”意思是说轻小沙石的运动状态很容易被水流改变,而大
石的运动状态不容易被水流改变。下列关于此句话中所描述的现象说法正确的是
( )
A.说明力是改变物体运动状态的原因,有力作用物体才会运动,无力作用物体不会运动
B.沙石很小可以视为质点,所以容易被冲走;大石很大不能被视为质点,所以不容易被冲
走
C.轻小的沙石由于质量太小,没有惯性,所以运动状态很容易被水流改变
D.重的大石由于质量太大,惯性太大,所以运动状态不容易被水流改变
√
【解析】选D。力是改变物体运动状态的原因,不是维持物体运动的原因,
运动的物体不受力时,仍会一直运动下去,故A错误;物体是否可以看成质点,
不是看物体的大小,是否容易被冲走不是取决于是否可以看成质点,故B错
误;轻小的沙石质量很小,但仍有惯性,只是惯性很小,所以运动状态很容易
被水流改变,故C错误;重的大石由于质量太大,惯性太大,所以运动状态不容
易被水流改变,故D正确。
【典例2】我国高铁技术全球领先,高铁速度快、安全性高,使人们出行更
加便捷。小明同学在高铁列车上发现列车启动过程中杯中水面的形状是
图中的 ( )
【解析】选C。列车启动过程中,速度增大,即杯子的速度增大,而杯子中的
水由于惯性仍要保持原来的静止状态,所以水相对于杯子向后运动,C正
确,A、B、D错误。
√
[规律方法] 利用惯性解释现象的方法
(1)明确研究的物体原来处于怎样的运动状态。
(2)当外力作用在该物体的某一部分(或外力作用在与该物体有关联的其他
物体上)时,这一部分的运动状态的变化情况。
(3)该物体由于惯性保持怎样的运动状态,判断最后会出现什么现象。
【探究训练】
1.对于一些实际生活中的现象,某同学试图从惯性角度加以解释,其中正确的是
( )
A.采用了大功率的发动机后,某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺
旋桨飞机的速度,这表明:可以通过科学进步使小质量的物体获得大惯性
B.“强弩之末,势不能穿鲁缟”,这表明强弩的惯性减小了
C.货运列车运行到不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,这会改变它的惯
性
D.摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾
斜,这是通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的
√
【解析】选C。惯性是物体固有的属性,并不是力,惯性的大小只与质量有关,质
量一定惯性大小一定,与物体的运动状态无关,只有改变物体的质量才能改变物
体的惯性,物体所处的运动状态需要力来改变。采用了大功率的发动机后,某些
一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度,是由于功率增大,
不是由于使小质量的物体获得大惯性,故A错误;“强弩之末,势不能穿鲁缟”,是由
于速度减小了,不是由于惯性减小,弩的惯性没有变化,故B错误;货运列车运行到
不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,质量发生了变化,惯性改变了,故C正
确;摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾
斜,人与车的质量没有变化,惯性没有变化,而是改变了向心力,防止侧滑,故D错误。
2.(多选)如图所示,原先静止的滑冰运动员用力将冰刀后蹬,可以向前滑行;
停止用力,会逐渐停下,且滑行的速度越大,停下所需时间越长,滑得越远。
对此过程,下列说法正确的是 ( )
A.停止用力,继续滑行是因为惯性
B.用力后蹬,可以向前滑行是因为惯性
C.停止用力,运动员停下来是由于摩擦力的作用
D.速度越大,停下所需时间越长,说明惯性和速度有关
√
√
【解析】选A、C。停止用力,继续滑行是因为运动员具有惯性,仍要保持原
来的运动状态,A正确;根据牛顿第三定律可知,用力后蹬,可以向前滑行是由
于运动员受到冰面向前的反作用力,B错误;停止用力,运动员停下来是由于
摩擦力的作用,C正确;由于运动员的质量不变,则运动员的惯性不变,与速度
无关,D错误。
【课堂回眸】第四章 运动和力的关系
1.牛顿第一定律
课程标准 素养目标
1.通过实验,结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。 2.查阅资料,了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法。 3.查阅资料,了解并讨论伽利略关于物体运动的实验研究对科学发展和人类进步的重大意义。 1.惯性的概念。 (物理观念) 2.牛顿第一定律、理想实验的方法。 (科学思维) 3.伽利略理想实验。 (科学探究) 4.对牛顿第一定律和惯性的理解,了解科学思想的建立过程。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.理想实验的魅力:
任务 建议
人类对运动与力的关系的认识历程 课前让学生查找相关物理学家的生平和对力和运动的观点,课堂上让学生进行展示
理想实验的魅力 先在课堂上演示伽利略理想实验,在解释伽利略理想实验时可适当运用“flash动画”把问题具体化、直观化,同时渗透伽利略对理想实验的构思过程和思考,使学生不但能理解伽利略理想实验的内容,也经历物理的科学探究和思辨过程
2.牛顿第一定律:
任务 建议
牛顿第一定律 通过对“牛顿第一定律的学习”使学生理解: (1)运动和力的关系 (2)一切物体都具有惯性
3.惯性与质量:
任务 建议
惯性 对惯性的教学,应加强演示实验,多与生活中的事例相联系,使学生明确影响惯性大小的因素,培养学生运用物理知识分析问题和解决问题的能力
【情境导引】
飞机在远程转场时,通常都挂上副油箱以增加航程,但也增加了飞机的重量,消耗了飞机的推力,同时影响飞机的气动性能和雷达投影。在空战中,尤其是近距离空战,会一定程度妨碍机头指向性。所以,在进入作战状态后,战机都会优先抛弃副油箱。
问题导引:
(1)力和运动有什么样的关系
(2)在进入作战状态后,战机为什么要抛弃副油箱
课前自主学习
一、理想实验的魅力
任务驱动:人推车走,不推车停,由此看来必须有力作用在物体上,物体才运动,没有力作用在物体上,物体就不运动——这是两千多年前亚里士多德的观点。这样的观点对吗
提示:不对。
1.伽利略理想实验:小球沿斜面由静止滚下,再滚上另一斜面,如不计摩擦,小球将滚到原高度处,减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到同一高度,若将斜面放平后,球将永远滚动下去。
2.伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉,抓住事物的本质。
3.伽利略通过“理想实验”和科学推理,得出的结论是:力不是维持物体运动的原因。
二、牛顿第一定律
1.内容:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
2.意义:
(1)牛顿第一定律明确了力和运动的关系。
(2)牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动状态的原因。
三、惯性和质量
任务驱动:匀速行驶的汽车遇到紧急情况突然刹车时,车中乘客会向哪个方向倒 这是什么原因造成的
提示:向前 惯性
1.惯性定义:物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。
2.物体惯性大小的唯一量度:物体的质量。
【易错辨析】
(1)伽利略的理想实验说明了力是维持物体运动的原因。 ( )
(2)牛顿第一定律是可以通过实验验证的。 ( )
(3)牛顿认为力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。 ( )
(4)牛顿第一定律说明一切物体都具有惯性。( )
(5)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。 ( )
提示:(1)×。伽利略的理想实验说明了力不是维持物体运动的原因。
(2)×。牛顿第一定律是在实验的基础上利用逻辑思维进行分析的产物,不能用实验直接验证。
(3)√ (4)√
(5)×。惯性是物体的固有属性。
课堂合作探究
主题一 理想斜面实验
任务1 人们对力和运动的关系的认识过程
【生活情境】
情境1:运动情境——运动员将标枪从手中高速抛出,标枪在空中飞行很远才落地。(如图1所示)
情境2:人们在乘坐汽车等交通工具时,都要求在行驶前系好安全带。(如图2所示)
【问题探究】
(1)情境1中,有人认为“标枪在空中向前飞行”时,是由于标枪一直受到向前的力的作用。这种观点与历史上哪位著名科学家相同 这种观点对吗
提示:亚里士多德 不对
(2)情境2中,乘坐汽车的人系好安全带,可以有效减小在发生交通事故时对人的伤害,这是为什么
提示:系好安全带乘车,在发生交通事故时可以使人和车同时减速,以减小对乘客的伤害。
任务2 理想斜面实验
实验情境
情境:现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片
【问题探究】
上述实验可看成三个情境,如图:
(1)图甲中小球在对称斜面上由静止无摩擦滚下,能否到达对应的等高处
提示:能。因无摩擦,没有能量损失,小球能到达对应的等高处。
(2)图乙中减小另一侧斜面倾角,小球从同一位置自由释放仍无摩擦滚下,能否滚到等高处 滚动的水平距离怎样变化
提示:能。小球从同一位置自由释放能滚到对应的等高处;滚动的水平距离增大。
(3)图丙中把另一侧斜面放平,小球能否在平面上一直滚下去 为什么
提示:能。运动的小球在水平方向不受摩擦阻力,小球将一直匀速运动下去。
【结论生成】
1.历史上对力与运动关系的重要观点
人物 亚里士多 德(古希腊) 伽利略 (意大利) 笛卡儿 (法国) 牛顿 (英国)
时期 2300年前 16世纪中期 16世纪晚期 17世纪中期
观点 力是维持物体运动的原因 物体的运动不需要力来维持 物体运动状态的变化是有原因的 力是物体运动状态改变的原因
依据 根据直觉经验提出 利用理想实验对经验进行科学推理,建立了科学的研究方法 进一步补充和完善了伽利略的论点 在前人基础上,根据自己研究,系统归纳,科学推理,总结得出定律
结论 错误 片面(存在不足) 进一步完善运动和力的关系 奠定了动力学基础
2.伽利略的理想斜面实验
(1)现象:两个对接的斜面,让静止的小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一个斜面。
(2)推论:
①如果没有摩擦,小球将上升到释放时的高度。
②减小第二个斜面倾角,小球在这个斜面上仍然要到达原来的高度。
③将第二个斜面放平,小球为了到达释放时的高度,将一直运动下去。
(3)结论:物体的运动不需要力来维持,即力是改变物体运动状态的原因。
3.运动状态改变的三种情况
物体的运动状态就是指物体的运动速度,运动状态改变就是指运动速度的改变,而速度是矢量,既有大小,又有方向。故运动状态改变有以下三种情况:
①速度的方向不变,大小改变,如匀加速直线运动。
②速度的方向改变,大小不变,如汽车拐弯时保持速率不变的曲线运动。
③速度的方向改变,大小改变,如摆球的自由摆动。
【典例示范】
亚里士多德是古代伟大的哲学家、科学家和教育家之一,但由于历史的局限性,亚里士多德的有些认识是错误的。一位科学家为了证明亚里士多德的一个结论的错误,设计了一个理想斜面实验,如图是这个实验的示意图。
(1)设计这个实验的科学家是 (选填“牛顿”或“伽利略”),这个理想实验说明:力
(选填“是”或“不是”)维持物体运动的原因。
(2)同学们在讨论小球的运动时,提出了以下说法,正确的是 ( )
A.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了沿斜面向上的力
B.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了惯性的作用
C.静止的小球没有惯性,运动的小球有惯性
D.惯性只与小球本身的质量有关,与小球是否受力无关
(3)在物理学的重大发现中科学家们创造出了许多物理学方法。该实验所用研究方法是 ( )
A.理想实验法 B.极限思想法
C.建立物理模型法 D.微元法
【解析】 (1)理想斜面实验设计者是伽利略,这个理想实验说明力不是维持物体运动的原因,亚里士多德的“力是维持物体运动状态的原因”的结论是错误的。
(2)小球能够滚上另一个斜面,是因为小球具有惯性,惯性是物体保持原来运动状态的性质,惯性只与小球本身的质量有关,与其他无关,D正确,A、B、C错误。
(3)理想斜面实验所用研究方法是理想实验法。
答案:(1)伽利略 不是 (2)D (3)A
【探究训练】
1.伽利略是公认的第一个采用理想实验进行研究的物理学家,这里所说的“理想实验”是指 ( )
A.一种实验器材 B.一种实验现象
C.一种思维方法 D.一种物理规律
【解析】选C。伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉,抓住事物的本质。这种依据逻辑推理把实际实验理想化的思想也是研究物理问题的重要方法之一。这里所说的“理想实验”是指一种思维方法,故C正确。
2.(多选)如图所示的装置可以演示伽利略的理想斜面实验,装置为两个平滑对接的斜面,让小球沿左边的斜面滚下,并滚上右边的斜面,然后改变右边斜面的倾角,重复操作,利用曝光频率一定的相机拍下小球在运动过程中的图片,则 ( )
A.该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据,因此牛顿第一定律是实验定律
B.由图可知小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小,因此证实了“物体的运动需要力维持”
C.当右侧的斜面水平时,小球近似做匀速直线运动,说明“如果没有外力的作用,小球将在水平面上永远运动下去”
D.如果没有摩擦,小球在右边的斜面上将运动到与左边释放点相同的高度
【解析】选C、D。该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据,但没有摩擦力只是一种假设,所以该实验是一种理想化实验,牛顿第一定律不是实验定律,所以A错误;小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小是因为受力的作用,说明力是改变物体运动状态的原因,B错误;根据图片可知,右侧的斜面水平时,小球近似做匀速直线运动,如果没有外力作用,小球将在水平面上永远运动下去,故C正确;如果没有摩擦,小球一定会上升到与左边释放点相同的高度,D正确。
3.在牛顿第一定律建立的过程中,有多位伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献,下列说法正确的是 ( )
A.亚里士多德根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
B.牛顿根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
C.伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
D.笛卡儿根据理想斜面实验提出力是改变物体运动状态的原因
【解析】选C。伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因,故C正确。
主题二 牛顿第一定律
【生活情境】
如图所示,冰壶在冰面上运动。如果摩擦阻力比较大,冰壶很快停下来;如果摩擦阻力很小,冰壶能滑得很远;如果摩擦阻力为零,冰壶将永远运动下去。
【问题探究】
(1)牛顿第一定律中“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明运动与力有什么关系
提示:说明力是改变物体运动状态的原因。
(2)根据牛顿第一定律思考,如果物体不受外力作用,物体将处于什么状态
提示:原来静止的物体,不受外力时,仍然静止;原来运动的物体,不受外力时,速度保持不变,将永远做匀速直线运动。
【结论生成】
对牛顿第一运动定律的理解
牛顿第一定 律的含义 提出了惯性的概念——物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质
揭示了力和运动的关系——力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因
物体不受外力时将保持原来的运动状态,可以把“不受外力”拓展延伸为“所受外力的合力为0”
注意的问题 牛顿第一定律不是实验定律,源于伽利略的理想实验
【特别提醒】牛顿第一定律只适用于惯性参考系中的运动,在非惯性参考系中不适用。
【典例示范】
如图所示,在一辆表面光滑且足够长的小车上,有质量为m1和m2的两个小球(m1>m2),两个小球随车一起运动,当车突然停止运动时,若不考虑其他阻力,则两个小球 ( )
A.一定相碰 B.一定不相碰
C.不一定相碰 D.无法确定
【解析】选B。小车表面光滑,因此两小球在水平方向上没有受到外力的作用。原来两个小球与小车具有相同的速度,当车突然停止运动时,由于惯性,两个小球的速度不变,所以不会相碰,故B正确,A、C、D错误。
[规律方法] 牛顿第一定律巧应用
(1)由“因”索“果”:在判断力与运动之间的关系时,一定要把握准牛顿第一定律的含义,即力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。
(2)由“果”索“因”:如果物体的运动状态发生改变,则物体必然受到不为零的合外力的作用,所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变,应分析物体的受力情况。
(3)应用步骤:应用牛顿第一定律解释有关现象时,一要看物体原来的运动状态,二要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零,最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象。
【探究训练】
1.中国古代物理学上的有些成就在当时是世界领先的。春秋战国时代(公元前770~前221年),我国学者墨子对力与运动的关系作了这样的阐述:“力,刑之所以奋也。”这句话的意思是:力能使物体由静止开始运动,或使运动的物体运动得越来越快。下列说法中,与墨子观点相符合的是 ( )
A.物体位置发生改变,一定受到力的作用
B.物体速度发生改变,一定受到力的作用
C.物体运动得越快,受到的力一定越大
D.物体运动变慢,可以不受到力的作用
【解析】选B。由题意可知:“力,刑之所以奋也。”这句话的意思是:力能使物体由静止开始运动,或使运动的物体运动得越来越快;物体位置发生改变,但是其运动状态不一定改变,比如物体做匀速直线运动,位置发生了变化,没有受到力的作用,故A错误;力起到了改变物体运动状态的作用,故与“力是改变物体运动状态的原因”的观点相符合,故B正确;物体运动得越快,表示物体速度越大,但受到的力不一定越大,故C错误;物体运动变慢,说明物体的运动状态发生了变化,一定受到了力的作用,故D错误。
2.(多选)下列说法中正确的是 ( )
A.水平路面上用力推车,车才前进,人停止推车,车就会逐渐停下来
B.力作用在物体上,物体才能动,没有力的作用,物体就不能运动
C.地面上滑行的物体会停下来,是受摩擦力作用的结果
D.物体以一定的初速度在不同的地面上滑行,摩擦力越小,滑行的距离越大
【解析】选A、C、D。力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因,用力推车,车才前进,力改变了车的运动状态,即从静止到运动,人若停止推车,则车在摩擦力作用下逐渐停止,所以A正确;同理C正确;在光滑水平面上匀速运动的物体所受合外力为零,在不受外力的情况下,它将永远运动下去,B错误;摩擦力越小,越难改变物体的运动状态,所以D正确。
主题三 惯性和质量
【生活情境】
情境1:赛车可以在赛场中快速加速。
情境2:货车启动过程中的加速缓慢。
【问题探究】
(1)赛车与货车的牵引力相差不大,但在由静止启动时,赛车的运动状态很容易发生改变,速度急速增加,而货车的运动状态很难改变,速度只能缓慢增加,这是为什么
提示:货车的质量远大于赛车的质量,质量大的物体惯性大,运动状态不容易改变。
(2)刹车时,货车很难停下来;而赛车很容易停下来。这是为什么
提示:质量大惯性大,运动状态不容易改变。
(3)有的同学总认为:惯性与物体的运动速度有关,速度大,惯性大;速度小,惯性就小。理由是物体的运动速度大不容易停下来,这种看法对吗
提示:不对。惯性的大小与速度无关,只与物体的质量大小有关。
【结论生成】
1.对惯性的理解
(1)惯性是物体的固有属性,任何物体在任何状态下都有惯性。物体的惯性与物体的地理位置、运动状态、受力情况无关。因此物体的惯性是不能被克服的。
(2)惯性不是力,惯性是物体具有的保持匀速直线运动状态或静止状态的性质,力是物体对物体的作用,惯性和力是两个不同的概念。
(3)表现形式
①在不受力的条件下,惯性表现出“保持”“原来的”运动状态的性质,有“惰性”的意思。
②在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度,质量越大、惯性越大,运动状态越难以改变。
2.惯性的量度
质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大、惯性越大;质量越小、惯性越小;质量不变,惯性不变。
3.惯性和惯性定律
项目 惯性 惯性定律
基本 含义 物体的一种属性 物体运动的规律
理解 要点 ①与是否运动无关,与速度大小无关 ②与是否受力无关 ③与所在位置无关(在地球、月球上都一样) ④只与质量有关 ①物体的运动具有“惰性”,“力”是改变这种“惰性”的唯一原因 ②惯性越大,运动状态越难改变
与力的 关系 ①无关 ②惯性不是一种特殊的力 强调了“力”的作用效果——改变运动状态(产生加速度)
联系与 区别 ①由于物体具有惯性,所以运动不需要力来维持 ②惯性是物体的属性,惯性定律是物体的运动规律
【特别提醒】
(1)在不受力(或合外力为零)的条件下,惯性表现为保持原来的运动状态。
(2)在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大,惯性越大,运动状态越难改变。
【典例示范】
【典例1】在东汉王充所著的《论衡·状留篇》中提到:“是故湍濑之流,沙石转而大石不移。何者 大石重而沙石轻也。”意思是说轻小沙石的运动状态很容易被水流改变,而大石的运动状态不容易被水流改变。下列关于此句话中所描述的现象说法正确的是 ( )
A.说明力是改变物体运动状态的原因,有力作用物体才会运动,无力作用物体不会运动
B.沙石很小可以视为质点,所以容易被冲走;大石很大不能被视为质点,所以不容易被冲走
C.轻小的沙石由于质量太小,没有惯性,所以运动状态很容易被水流改变
D.重的大石由于质量太大,惯性太大,所以运动状态不容易被水流改变
【解析】选D。力是改变物体运动状态的原因,不是维持物体运动的原因,运动的物体不受力时,仍会一直运动下去,故A错误;物体是否可以看成质点,不是看物体的大小,是否容易被冲走不是取决于是否可以看成质点,故B错误;轻小的沙石质量很小,但仍有惯性,只是惯性很小,所以运动状态很容易被水流改变,故C错误;重的大石由于质量太大,惯性太大,所以运动状态不容易被水流改变,故D正确。
【典例2】我国高铁技术全球领先,高铁速度快、安全性高,使人们出行更加便捷。小明同学在高铁列车上发现列车启动过程中杯中水面的形状是图中的 ( )
【解析】选C。列车启动过程中,速度增大,即杯子的速度增大,而杯子中的水由于惯性仍要保持原来的静止状态,所以水相对于杯子向后运动,C正确,A、B、D错误。
[规律方法] 利用惯性解释现象的方法
(1)明确研究的物体原来处于怎样的运动状态。
(2)当外力作用在该物体的某一部分(或外力作用在与该物体有关联的其他物体上)时,这一部分的运动状态的变化情况。
(3)该物体由于惯性保持怎样的运动状态,判断最后会出现什么现象。
【探究训练】
1.对于一些实际生活中的现象,某同学试图从惯性角度加以解释,其中正确的是 ( )
A.采用了大功率的发动机后,某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度,这表明:可以通过科学进步使小质量的物体获得大惯性
B.“强弩之末,势不能穿鲁缟”,这表明强弩的惯性减小了
C.货运列车运行到不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,这会改变它的惯性
D.摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾斜,这是通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的
【解析】选C。惯性是物体固有的属性,并不是力,惯性的大小只与质量有关,质量一定惯性大小一定,与物体的运动状态无关,只有改变物体的质量才能改变物体的惯性,物体所处的运动状态需要力来改变。采用了大功率的发动机后,某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度,是由于功率增大,不是由于使小质量的物体获得大惯性,故A错误;“强弩之末,势不能穿鲁缟”,是由于速度减小了,不是由于惯性减小,弩的惯性没有变化,故B错误;货运列车运行到不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,质量发生了变化,惯性改变了,故C正确;摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾斜,人与车的质量没有变化,惯性没有变化,而是改变了向心力,防止侧滑,故D错误。
2.(多选)如图所示,原先静止的滑冰运动员用力将冰刀后蹬,可以向前滑行;停止用力,会逐渐停下,且滑行的速度越大,停下所需时间越长,滑得越远。对此过程,下列说法正确的是 ( )
A.停止用力,继续滑行是因为惯性
B.用力后蹬,可以向前滑行是因为惯性
C.停止用力,运动员停下来是由于摩擦力的作用
D.速度越大,停下所需时间越长,说明惯性和速度有关
【解析】选A、C。停止用力,继续滑行是因为运动员具有惯性,仍要保持原来的运动状态,A正确;根据牛顿第三定律可知,用力后蹬,可以向前滑行是由于运动员受到冰面向前的反作用力,B错误;停止用力,运动员停下来是由于摩擦力的作用,C正确;由于运动员的质量不变,则运动员的惯性不变,与速度无关,D错误。
【课堂回眸】
课时巩固 请使用 课时素养检测 十八第四章 运动和力的关系
1.牛顿第一定律
课程标准 素养目标
1.通过实验,结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。 2.查阅资料,了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法。 3.查阅资料,了解并讨论伽利略关于物体运动的实验研究对科学发展和人类进步的重大意义。 1.惯性的概念。 (物理观念) 2.牛顿第一定律、理想实验的方法。 (科学思维) 3.伽利略理想实验。 (科学探究) 4.对牛顿第一定律和惯性的理解,了解科学思想的建立过程。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.理想实验的魅力:
任务 建议
人类对运动与力的关系的认识历程 课前让学生查找相关物理学家的生平和对力和运动的观点,课堂上让学生进行展示
理想实验的魅力 先在课堂上演示伽利略理想实验,在解释伽利略理想实验时可适当运用“flash动画”把问题具体化、直观化,同时渗透伽利略对理想实验的构思过程和思考,使学生不但能理解伽利略理想实验的内容,也经历物理的科学探究和思辨过程
2.牛顿第一定律:
任务 建议
牛顿第一定律 通过对“牛顿第一定律的学习”使学生理解: (1)运动和力的关系 (2)一切物体都具有惯性
3.惯性与质量:
任务 建议
惯性 对惯性的教学,应加强演示实验,多与生活中的事例相联系,使学生明确影响惯性大小的因素,培养学生运用物理知识分析问题和解决问题的能力
【情境导引】
飞机在远程转场时,通常都挂上副油箱以增加航程,但也增加了飞机的重量,消耗了飞机的推力,同时影响飞机的气动性能和雷达投影。在空战中,尤其是近距离空战,会一定程度妨碍机头指向性。所以,在进入作战状态后,战机都会优先抛弃副油箱。
问题导引:
(1)力和运动有什么样的关系
(2)在进入作战状态后,战机为什么要抛弃副油箱
课前自主学习 任务驱动:人推车走,不推车停,由此看来必须有力作用在物体上,物体才运动,没有力作用在物体上,物体就不运动——这是两千多年前亚里士多德的观点。这样的观点对吗
提示:不对。
1.伽利略理想实验:小球沿斜面由静止滚下,再滚上另一斜面,如不计摩擦,小球将滚到原高度处,减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到同一高度,若将斜面放平后,球将永远滚动下去。
2.伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉,抓住事物的本质。
3.伽利略通过“理想实验”和科学推理,得出的结论是:力不是维持物体运动的原因。 1.内容:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
2.意义:
(1)牛顿第一定律明确了力和运动的关系。
(2)牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动状态的原因。 任务驱动:匀速行驶的汽车遇到紧急情况突然刹车时,车中乘客会向哪个方向倒 这是什么原因造成的
提示:向前 惯性
1.惯性定义:物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。
2.物体惯性大小的唯一量度:物体的质量。
【易错辨析】
(1)伽利略的理想实验说明了力是维持物体运动的原因。 ( )
(2)牛顿第一定律是可以通过实验验证的。 ( )
(3)牛顿认为力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。 ( )
(4)牛顿第一定律说明一切物体都具有惯性。( )
(5)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。 ( )
提示:(1)×。伽利略的理想实验说明了力不是维持物体运动的原因。
(2)×。牛顿第一定律是在实验的基础上利用逻辑思维进行分析的产物,不能用实验直接验证。
(3)√ (4)√
(5)×。惯性是物体的固有属性。
课堂合作探究 【生活情境】
情境1:运动情境——运动员将标枪从手中高速抛出,标枪在空中飞行很远才落地。(如图1所示)
情境2:人们在乘坐汽车等交通工具时,都要求在行驶前系好安全带。(如图2所示)
【问题探究】
(1)情境1中,有人认为“标枪在空中向前飞行”时,是由于标枪一直受到向前的力的作用。这种观点与历史上哪位著名科学家相同 这种观点对吗
提示:亚里士多德 不对
(2)情境2中,乘坐汽车的人系好安全带,可以有效减小在发生交通事故时对人的伤害,这是为什么
提示:系好安全带乘车,在发生交通事故时可以使人和车同时减速,以减小对乘客的伤害。
实验情境
情境:现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片
【问题探究】
上述实验可看成三个情境,如图:
(1)图甲中小球在对称斜面上由静止无摩擦滚下,能否到达对应的等高处
提示:能。因无摩擦,没有能量损失,小球能到达对应的等高处。
(2)图乙中减小另一侧斜面倾角,小球从同一位置自由释放仍无摩擦滚下,能否滚到等高处 滚动的水平距离怎样变化
提示:能。小球从同一位置自由释放能滚到对应的等高处;滚动的水平距离增大。
(3)图丙中把另一侧斜面放平,小球能否在平面上一直滚下去 为什么
提示:能。运动的小球在水平方向不受摩擦阻力,小球将一直匀速运动下去。
【结论生成】
1.历史上对力与运动关系的重要观点
人物 亚里士多 德(古希腊) 伽利略 (意大利) 笛卡儿 (法国) 牛顿 (英国)
时期 2300年前 16世纪中期 16世纪晚期 17世纪中期
观点 力是维持物体运动的原因 物体的运动不需要力来维持 物体运动状态的变化是有原因的 力是物体运动状态改变的原因
依据 根据直觉经验提出 利用理想实验对经验进行科学推理,建立了科学的研究方法 进一步补充和完善了伽利略的论点 在前人基础上,根据自己研究,系统归纳,科学推理,总结得出定律
结论 错误 片面(存在不足) 进一步完善运动和力的关系 奠定了动力学基础
2.伽利略的理想斜面实验
(1)现象:两个对接的斜面,让静止的小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一个斜面。
(2)推论:
①如果没有摩擦,小球将上升到释放时的高度。
②减小第二个斜面倾角,小球在这个斜面上仍然要到达原来的高度。
③将第二个斜面放平,小球为了到达释放时的高度,将一直运动下去。
(3)结论:物体的运动不需要力来维持,即力是改变物体运动状态的原因。
3.运动状态改变的三种情况
物体的运动状态就是指物体的运动速度,运动状态改变就是指运动速度的改变,而速度是矢量,既有大小,又有方向。故运动状态改变有以下三种情况:
①速度的方向不变,大小改变,如匀加速直线运动。
②速度的方向改变,大小不变,如汽车拐弯时保持速率不变的曲线运动。
③速度的方向改变,大小改变,如摆球的自由摆动。
【典例示范】
亚里士多德是古代伟大的哲学家、科学家和教育家之一,但由于历史的局限性,亚里士多德的有些认识是错误的。一位科学家为了证明亚里士多德的一个结论的错误,设计了一个理想斜面实验,如图是这个实验的示意图。
(1)设计这个实验的科学家是 (选填“牛顿”或“伽利略”),这个理想实验说明:力
(选填“是”或“不是”)维持物体运动的原因。
(2)同学们在讨论小球的运动时,提出了以下说法,正确的是 ( )
A.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了沿斜面向上的力
B.小球能够滚上另一个斜面,是因为小球受到了惯性的作用
C.静止的小球没有惯性,运动的小球有惯性
D.惯性只与小球本身的质量有关,与小球是否受力无关
(3)在物理学的重大发现中科学家们创造出了许多物理学方法。该实验所用研究方法是 ( )
A.理想实验法 B.极限思想法
C.建立物理模型法 D.微元法 【探究训练】
1.伽利略是公认的第一个采用理想实验进行研究的物理学家,这里所说的“理想实验”是指 ( )
A.一种实验器材 B.一种实验现象
C.一种思维方法 D.一种物理规律 2.(多选)如图所示的装置可以演示伽利略的理想斜面实验,装置为两个平滑对接的斜面,让小球沿左边的斜面滚下,并滚上右边的斜面,然后改变右边斜面的倾角,重复操作,利用曝光频率一定的相机拍下小球在运动过程中的图片,则 ( )
A.该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据,因此牛顿第一定律是实验定律
B.由图可知小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小,因此证实了“物体的运动需要力维持”
C.当右侧的斜面水平时,小球近似做匀速直线运动,说明“如果没有外力的作用,小球将在水平面上永远运动下去”
D.如果没有摩擦,小球在右边的斜面上将运动到与左边释放点相同的高度 3.在牛顿第一定律建立的过程中,有多位伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献,下列说法正确的是 ( )
A.亚里士多德根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
B.牛顿根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
C.伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因
D.笛卡儿根据理想斜面实验提出力是改变物体运动状态的原因 【生活情境】
如图所示,冰壶在冰面上运动。如果摩擦阻力比较大,冰壶很快停下来;如果摩擦阻力很小,冰壶能滑得很远;如果摩擦阻力为零,冰壶将永远运动下去。
【问题探究】
(1)牛顿第一定律中“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明运动与力有什么关系
提示:说明力是改变物体运动状态的原因。
(2)根据牛顿第一定律思考,如果物体不受外力作用,物体将处于什么状态
提示:原来静止的物体,不受外力时,仍然静止;原来运动的物体,不受外力时,速度保持不变,将永远做匀速直线运动。
【结论生成】
对牛顿第一运动定律的理解
牛顿第一定 律的含义 提出了惯性的概念——物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质
揭示了力和运动的关系——力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因
物体不受外力时将保持原来的运动状态,可以把“不受外力”拓展延伸为“所受外力的合力为0”
注意的问题 牛顿第一定律不是实验定律,源于伽利略的理想实验
【特别提醒】牛顿第一定律只适用于惯性参考系中的运动,在非惯性参考系中不适用。
【典例示范】
如图所示,在一辆表面光滑且足够长的小车上,有质量为m1和m2的两个小球(m1>m2),两个小球随车一起运动,当车突然停止运动时,若不考虑其他阻力,则两个小球 ( )
A.一定相碰 B.一定不相碰
C.不一定相碰 D.无法确定 [规律方法] 牛顿第一定律巧应用
(1)由“因”索“果”:在判断力与运动之间的关系时,一定要把握准牛顿第一定律的含义,即力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。
(2)由“果”索“因”:如果物体的运动状态发生改变,则物体必然受到不为零的合外力的作用,所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变,应分析物体的受力情况。
(3)应用步骤:应用牛顿第一定律解释有关现象时,一要看物体原来的运动状态,二要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零,最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象。
【探究训练】
1.中国古代物理学上的有些成就在当时是世界领先的。春秋战国时代(公元前770~前221年),我国学者墨子对力与运动的关系作了这样的阐述:“力,刑之所以奋也。”这句话的意思是:力能使物体由静止开始运动,或使运动的物体运动得越来越快。下列说法中,与墨子观点相符合的是 ( )
A.物体位置发生改变,一定受到力的作用
B.物体速度发生改变,一定受到力的作用
C.物体运动得越快,受到的力一定越大
D.物体运动变慢,可以不受到力的作用 2.(多选)下列说法中正确的是 ( )
A.水平路面上用力推车,车才前进,人停止推车,车就会逐渐停下来
B.力作用在物体上,物体才能动,没有力的作用,物体就不能运动
C.地面上滑行的物体会停下来,是受摩擦力作用的结果
D.物体以一定的初速度在不同的地面上滑行,摩擦力越小,滑行的距离越大 【生活情境】
情境1:赛车可以在赛场中快速加速。
情境2:货车启动过程中的加速缓慢。
【问题探究】
(1)赛车与货车的牵引力相差不大,但在由静止启动时,赛车的运动状态很容易发生改变,速度急速增加,而货车的运动状态很难改变,速度只能缓慢增加,这是为什么
提示:货车的质量远大于赛车的质量,质量大的物体惯性大,运动状态不容易改变。
(2)刹车时,货车很难停下来;而赛车很容易停下来。这是为什么
提示:质量大惯性大,运动状态不容易改变。
(3)有的同学总认为:惯性与物体的运动速度有关,速度大,惯性大;速度小,惯性就小。理由是物体的运动速度大不容易停下来,这种看法对吗
提示:不对。惯性的大小与速度无关,只与物体的质量大小有关。
【结论生成】
1.对惯性的理解
(1)惯性是物体的固有属性,任何物体在任何状态下都有惯性。物体的惯性与物体的地理位置、运动状态、受力情况无关。因此物体的惯性是不能被克服的。
(2)惯性不是力,惯性是物体具有的保持匀速直线运动状态或静止状态的性质,力是物体对物体的作用,惯性和力是两个不同的概念。
(3)表现形式
①在不受力的条件下,惯性表现出“保持”“原来的”运动状态的性质,有“惰性”的意思。
②在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度,质量越大、惯性越大,运动状态越难以改变。
2.惯性的量度
质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大、惯性越大;质量越小、惯性越小;质量不变,惯性不变。
3.惯性和惯性定律
项目 惯性 惯性定律
基本 含义 物体的一种属性 物体运动的规律
理解 要点 ①与是否运动无关,与速度大小无关 ②与是否受力无关 ③与所在位置无关(在地球、月球上都一样) ④只与质量有关 ①物体的运动具有“惰性”,“力”是改变这种“惰性”的唯一原因 ②惯性越大,运动状态越难改变
与力的 关系 ①无关 ②惯性不是一种特殊的力 强调了“力”的作用效果——改变运动状态(产生加速度)
联系与 区别 ①由于物体具有惯性,所以运动不需要力来维持 ②惯性是物体的属性,惯性定律是物体的运动规律
【特别提醒】
(1)在不受力(或合外力为零)的条件下,惯性表现为保持原来的运动状态。
(2)在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大,惯性越大,运动状态越难改变。
【典例示范】
【典例1】在东汉王充所著的《论衡·状留篇》中提到:“是故湍濑之流,沙石转而大石不移。何者 大石重而沙石轻也。”意思是说轻小沙石的运动状态很容易被水流改变,而大石的运动状态不容易被水流改变。下列关于此句话中所描述的现象说法正确的是 ( )
A.说明力是改变物体运动状态的原因,有力作用物体才会运动,无力作用物体不会运动
B.沙石很小可以视为质点,所以容易被冲走;大石很大不能被视为质点,所以不容易被冲走
C.轻小的沙石由于质量太小,没有惯性,所以运动状态很容易被水流改变
D.重的大石由于质量太大,惯性太大,所以运动状态不容易被水流改变 【典例2】我国高铁技术全球领先,高铁速度快、安全性高,使人们出行更加便捷。小明同学在高铁列车上发现列车启动过程中杯中水面的形状是图中的 ( )
[规律方法] 利用惯性解释现象的方法
(1)明确研究的物体原来处于怎样的运动状态。
(2)当外力作用在该物体的某一部分(或外力作用在与该物体有关联的其他物体上)时,这一部分的运动状态的变化情况。
(3)该物体由于惯性保持怎样的运动状态,判断最后会出现什么现象。
【探究训练】
1.对于一些实际生活中的现象,某同学试图从惯性角度加以解释,其中正确的是 ( )
A.采用了大功率的发动机后,某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度,这表明:可以通过科学进步使小质量的物体获得大惯性
B.“强弩之末,势不能穿鲁缟”,这表明强弩的惯性减小了
C.货运列车运行到不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,这会改变它的惯性
D.摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾斜,这是通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的 2.(多选)如图所示,原先静止的滑冰运动员用力将冰刀后蹬,可以向前滑行;停止用力,会逐渐停下,且滑行的速度越大,停下所需时间越长,滑得越远。对此过程,下列说法正确的是 ( )
A.停止用力,继续滑行是因为惯性
B.用力后蹬,可以向前滑行是因为惯性
C.停止用力,运动员停下来是由于摩擦力的作用
D.速度越大,停下所需时间越长,说明惯性和速度有关 【课堂回眸】
课时巩固 请使用 课时素养检测 十八
