第四章第1节牛顿第一定律[上学期]

第四章 牛顿运动定律
第一课时 牛顿第一定律
1．知识与技能
知道伽利略的理想实验及其推理过程，知道理想实验是科学研究的重要方法．
理解牛顿第一定律的内容和意义．
知道什么是惯性，会正确解释有关惯性的日常现象．
2．过程与方法
比较伽利略和亚里士多德对力和运动的关系不同的认识，体会伽利略理想实验的推理过程．通过对实际现象的体会与分析，正确理解什么是惯性及惯性大小的决定因素．
3．情感态度与价值观
通过亚里士多德和伽利略对力和运动的关系的不同认识的发展过程，使学生学会从纷繁的现象中探求事物本质的科学态度和研究方法．建立科学的思维方式，以及勇于创新、敢于坚持真理的科学思想．
1. 在骑自行车时，我们用力蹬车，自行车向前运动．不蹬车，自行车会慢慢停下．为什么运动的物体会停下？
简答：蹬车时试车前进的力若大于等于自行车所受的摩擦力，自行车就会前进。不蹬车，自行车所受的摩擦力使自行车慢慢停下，说明力是改变物体运动状的原因．
2．有人设想，乘坐气球飘在高空，由于地球的自转，一昼夜就能周游世界，这个设想可行吗？
解答：这个设想不符合物理原理，不可行．因为地球上的一切物体（包括地球周围的大气）都随着地球一起在自转．气球升空后，由于惯性，它仍保持原来的自转速度．当忽略其他与地球有相对运动（如风）的作用产生的影响时，升空的气球与它下方的地面处于相对静止的状态．不可能使它相对地球绕行一周的．
★自主学习（学 思 练）
一、理想实验的魅力
1．对力和运动的认识
代表人物 对力和运动的观点
亚里士多德
伽利略
笛卡儿
2．理想实验：
实验事实：两个对接的斜面，当小球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，当沿斜面向上滚动时，小球的速度减小．（如图4-1.1）
猜想：当小球从第一个斜面滚先，沿水平面滚动，速度应不增不减．
实验事实：小球滚动的越来越慢，最终停下．
实验结果分析：存在摩擦力的原因．
推断：如果没有摩擦力，小球将沿水平面一直运动下去．
理想实验的思想：两个对接斜面，让小球从第一个斜面由静止滚下，小球将滚上第二个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到运来的高度；减小的二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍要上升到运来的高度，但滚动得更远；继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球将永远滚动下去．
二、牛顿第一定律——惯性定律
1．定律的内容：一切物体总保持 状态或 状态，直到有 迫使它改变这种状态为止．
2．物理意义：揭示了力和运动的关系，①力不是 ，力是 ．②提出了惯性的概念．
3．说明：①牛顿第一定律是牛顿以伽利略的理想实验为基础，总结前人的研究成果，加上自己的丰富想象和逻辑思维而提出的，它不是实验定律，不能用实验直接验证．②不受外力作用的物体是不存在的，但是物体所受的合外力为零或所受外力可以忽略，物体总保持匀速直向运动状态或静止状态．③所谓运动状态的改变是指物体的速度发生变化，速度变化有三个方面的含义：速度大小变；速度方向变；速度的大小和方向都变．不论是那种变化物体都有加速度，产生加速度的原因是物体受到力的作用，所以力是使物体发生运动状态变化的原因．
三、惯性与质量
1．物体 的性质，叫做惯性，牛顿第一定律又叫惯性定律．
2．物体要保持匀速直线运动或静止状态，都有抵抗运动状态发生变化的“本领”，不同的物体这种“本领”不同，即惯性的大小不同．惯性是物体的 ，与物体的运动状态、物体是否受力均无关； 是惯性大小的量度， 越大，惯性就越大； 越小，惯性就越小．
★★双边活动（析 拨 辨）
例1．关于伽利略的理想斜面实验下列说法正确的是（ ）
A．伽利略的理想实验是假想的，没有科学依据
B．伽利略的理想实验是在可靠的事实基础上进行抽象思维而创造出来的一种科学推理方法，是科学研究中的一种重要方法
C．伽利略的理想实验有力的否定了亚里士多德的观点
D．在科学发展的今天，伽利略的斜面实验是可以通过实验验证的
【思路剖析】伽利略的理想斜面实验是在可靠的事实基础上进行科学抽象思维过程中所创造出来的一种科学推理，是科学研究中的一种重要方法，它否定了力是维持物体运动原因的观点。因为实验中摩擦力永远无法完全消失，所以这个实验永远无法实现，是一个理想实验。
【标准答案】BC
【方法规律】伽利略的观点是以理想斜面实验为理论依据的，理想斜面实验是可靠事实和科学思维先结合的产物，是科学研究的一种重要方法。
训练：1.图4-1.2中所示的实验是一个很著名实验，这个实验叫 ，这个实验推翻了当时一个很重要的错误观念，这个错误观念是 ，并揭示了 。
【解答】伽利略理想斜面实验，力是维持物体运动的原因，力是改变物体运动状态的原因。
例2. 下列关于惯性的说法正确的是（ ）
A．一个同学看见某人推不动原来静止的小车，于是他说，这是因为小车的惯性太大的缘故
B．一个物体原来以10 m／s速度运动，后来速度变为30 m／s，则其惯性变大了
C．月球上的重力加速度是地球上的，所以将一个物体从地球移到月球，其惯性减为原来的
D．在宇宙飞船内的物体具有惯性
【思路剖析】 某人推不动原来静止的小车，是因为小车受到的水平推力未超过小车受到的最大静摩擦力，故小车仍处于静止状态，A错．惯性是物体的固有属性，一切物体不论在什么状态(包括静止、匀速运动、变速运动)，也不论在什么地方(包括地球表面、大空、其他星球)都有惯性，并且惯性的大小与这些因素无关．故选项B、C错误．
【标准答案】 D
【方法规律】 质量是物体惯性大小的唯一量度，惯性大小与物体的受力情况及运动情况无关。
训练：下列关于惯性的说法中正确的是
Ａ．物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性
Ｂ．物体只有受外力作用时才有惯性
Ｃ．物体的运动速度大时惯性大
Ｄ．物体在任何情况下都有惯性
【解答】D
例3．火车在长直轨道上匀速行驶，在门窗紧闭的车厢内，有一人向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为
A．人跳起来后，厢内空气给他向前的力，使他随同火车一起向前运动
B．人跳起的瞬间，车厢的地板给他一个向前的力，推动他随火车一起向前运动
C．人跳起后，车继续向前运动所以人落地必定偏向后面一些．只是由于时间很短，偏后距离不明显而已
D．人跳起到落地，在水平方向上人和车始终具有相同的速度
【思路剖析】 人随车一起匀速运动，人跳起后在水平方向仍有与车相同的速度，在跳起到回落过程中，人在水平方向的位移与车相同，所以人仍落回车上的原处。
【标准答案】 D
【方法规律】 物体不受外力作用时，保持静止或匀速直线运动状态，这一结论可应用在某一方向上，如果物体在某一方向上不受力则在该方向上傲匀速直线运动或静止
训练：在一艘匀速向北行驶的轮船甲板上，一人做立定跳远，若都竭尽全力跳，则（ ）
A．向北跳最远
B．向南跳最远
C．向东向西跳一样远，但没有向南跳远
D．无论向哪个方向都一样远
【解答】D
例4．对于以下现象及解释，正确的是（ ）
A. 拔河比赛时，一般都选用质量大的运动员，因为质量大的物体运动状态难以改变
B．打铁用的铁砧质量大，打铁时它保证基本不动
C. 用相同的力推不动静止的铁块，能推动静止的木块，是因为铁块的惯性比木块大
D．乒乓球可快速抽杀，是因为乒乓球的质量小，惯性小，运动状态容易改变
【思路剖析】 拔河比赛时，质量大的运动员惯性大，其运动状态难以改变；打铁的铁砧大，打铁时它的状态不容易改变；用相同的力推不动铁块而能推木块不仅仅是因为铁块的质量大，力是物体产生加速度的原因，惯性大只能说明物体的运动状态难以改变，并不是不能改变，是因为铁块与地面间的摩擦力大而没有推动；乒乓球能迅速抽杀是因为它的质量小，运动状态容易改变．
【标准答案】 ABD
【方法规律】 质量大的物体运动状态不容易改变，质量小的物体容易改变运动状态
训练：1. 下列关于物体运动状态改变的说法中，正确的是（ ）
A．速度大小不变，物体运动状态就不变
B．速度方向不变，物体运动状态就不变
C．速度的大小和方向都不变，物体的运动状态就不变
D．只有物体速度的大小和方向都改变，才能说物体的运动状态发生改变
【解答】C
2.下述情况中，物体的运动状态发生变化的是（ ）
A．汽车沿斜坡匀速上行
B．小球在空中性自由落体运动
C．返回式卫星接近地面前做减速运动
D．飞机在高空沿圆周飞行．其速度大小不变
【解答】BCD
例5．关于牛顿第一定律，下列说法正确的是（ ）
A．牛顿第一定律是一个实验定律
B．牛顿第一定律只是提出了惯性的概念
C．牛顿第一定律提出了当物体受到的合外力为零时，物体将处于静止状态
D．牛顿第一定律既提出了物体不受外力作用时的运动规律，又提出了力是改变物体运动状态的原因
【思路剖析】牛顿第一定律不是实验定律，A错；牛顿第一定律提出了惯性的概念，同时又指出了物体运动状态改变的原因，B错。牛顿第一定律揭示的是物体不受外力作用时将处于静止或匀速直线运动状态。所以C错；
【标准答案】D
【方法规律】要理解牛顿第一定律的物理意义。一是表述不受外力作用时物体将保持静止状态或匀速运动状态，二是指出了力是改变物体运动状态的原因。
训练：下列关于力和运动的说法，正确的是（ ）
A．静止的物体一定没有受到力的作用
B．力是维持物体运动的原因
C．力是使物体做匀速直线运动的原因
D．力是改变物体运动状态的原因即产生加速度的原因。
【解答】BCD
1. 理解牛顿第一定律所包含的几层意思：①牛顿第一定律说明了物体不受力时的运动状态是匀速直线运动或静止（所以说，力不是物体运动的原因）；②一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，这种性质叫做惯性（所以说，一切物体都有惯性）；③外力的作用是迫使物体改变运动状态（所以说，力是改变运动状态的原因）。
2. 对惯性的认识
（1）惯性是一切物体自身固有的属性，同一物体的惯性不会因它的运动状态的改变而改变．当物体不受外力作用时．惯性表现为维持厚来的静止或匀速直线运动的状态不变；当物体受到外力作用而做匀速运动时，它同样表现出具有惯性．
（2）一个物体惯性的大小是唯一确定的，与物体的运动速度大小无关，物体受外力作用时，其惯
性的大小表现在运动状态改变的难易程度上。在同样大小力的作用下，惯性大的物体运动状态难改变(在单位时间内速度的改变量较小)，惯性小的物体运动状态容易改变 (在单位时月内速度的改变量较大)。不论物体原来的速度多大，同一物体在相同力的作用下，单位时间内它的速度改变量是相同的．可见．根据速度越大的物体越难制动的事实，得出物体的速度越大惯性也越大的结论是完全错误。
1．伽利略的实验证明了（ ）
A．要物体运动必须有力作用，没有力作用的物体将静止
B．要物体静止必须有力作用，没有力作用的物体就运动
C．在没有外力作用时，原来运动着的物体总保持匀速直线运动状态
D．物体不受外力作用时，一定处于静止状态
答案：D
2．关于惯性，下列说法正确的是（ ）
A．一个物体在任何情况下都有惯性
B．汽车在刹车时有惯性，作匀速运动时没有惯性
C．惯性除了跟物体质量有关外，还跟物体速度有关
D．惯性是使物体保持匀速运动或静止状态的力
答案：A
3．下列关于力和运动的关系，错误的观点是（ ）
A．力是维持物体运动的原因
B．力是产生物体运动速度的原因
C．力是改变物体运动速度的原因
D．物体向某一方向运动．在该方向上一定有力作用在物体上
答案：C
4．下列说法错误的是（ ）
A．牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时的运动定律
B．不受外力作用时，物体运动状态保持不变是由于物体具有惯性
C．在水平地面上滑动的木块最终要停下来，是由于木块失去了维持其运动的力
D．物体的运动速度发生变化时，一定受到了外力的作用
答案：C
5．下列事实中，利用了物体惯性的是（ ）
A．跳远运动员在起跳前的助跑运动
B．铁饼运动员在掷出铁饼前快速旋转
C．跳伞运动员在落地前打开降落伞
D．汽车轮胎上有凸凹不平的花纹
答案：AB
6．在匀速前进的火车里，一个小球放在水平桌面上且相对桌面静止，从某时刻起火车的运动速度开始发生变化．关于小球运动与火车运动，下列说法正确的是（ ）
A．若小球向前滚动，则火车在加速前进
B．若小球向后滚动．则火车在加速的进
C．火车急刹车时，小球向前滚动
D．火车急刹车时，小球向后滚动
答案：BC
6．如图4-1.3所示，一个劈形物体M放在固定的粗糙的斜面上，上面成水平．在水平面上放一光滑小球m，劈形物体从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是（ ）
A．沿斜面向下的直线
B．竖直向下的直线
C．无规则曲线
D．抛物线
答案：C
7．有的同学从“物体速度大时不容易停下来，速度小时容易停下来”的现象中得出结论：物体的速度大，其惯性就大；速度小，惯性就小。这个结论正确吗 为什么？
答案：不正确，质量是惯性大小的唯一量度，与物体的速度无关。对于同一物体，在相同力的作用下，速度的改变快慢相同，即运动状态改变的难易程度相同。
8．甲、乙两物体静止在光滑水平面上，当它们均受到水平方向10 N的作用力后，甲在前5 s内的位移为2 m，乙在前5 s内的位移为6 m．试比较它们的惯性大小。
答案：在相同外力的作用、相同时间的条件下，乙物体发生的位移比甲物体的大。说明了：乙物体的运动状态容易改变，甲物体的运动状态不容易改变。所以，甲物体的惯性大。
9．在一个密封的车厢内，你有办法来判断车厢是处于静止状态还是处于匀速直线运动状态吗 你有办法能判断车厢是否存在加速度吗 能判断车厢加速度的方向吗
答案： 在密封的车厢内是无法区分车厢是处于静止状态的还是处于匀速直线运动状态的，在这两种情况下，车厢加速度都为零，车厢内所有物体的力学性质无任何差别。但我们可以判断车厢是否存在加速度．因为在这种情况下，物体的力学性质会出现差别．例如，设想车厢内光滑水平桌面上放一个小球，如果车厢做匀速运动，加速度为零，则小球就在水平桌面上保持静止，如乘车厢具有加速度，则小球在水平方向不受外力作用，将保持原来运动状态，我们会发现小球相对车厢做加速运动，小球相对车厢运动的方向是车厢加速度的反方向，所以我们可以判断车厢是否有加速度，且能判断加速度的方向。
10．如图4-1.4中的甲图所示，重球系于线DC下端，重球下再系一根同样的线BA，下面说法中正确的是（ ）
A．在线的A端慢慢增加拉力，结果CD线拉断
B．在线的A端慢慢增加拉力，结果AB线拉断
C．在线的A端突然猛力一拉，结果AB线拉断
D．在线的A端突然猛力一拉，结果CD线拉断
【精析】缓慢拉可认为小球始终处于平衡状态，快速拉时，重球保持原来的运动状态的性质，则上面的绳未发生相应的形变。如图4-1.4乙，在线的A端慢慢增加拉力，使得重球有足够的时间发生向下的微小位移，这个过程进行得如此缓慢可以认为重球始终处于受力平衡状态，即 T2＝T1＋mg，随着T1增大，T2也增大，且总是上端绳先达到极限程度，故CD绳被拉断，A正确。若在A端突然猛力一拉，因为重球质量很大，力的作用时间又极短，故重球向下的位移极小，以至于上端绳未来得及发生相应的伸长，T1已先达到极限强度，故AB绳先断，选项C也正确。
答案：AC
【说明】在处理物理问题时，“缓慢”的含义是物体处于平衡状态，“迅速”可认为物理过程是一个瞬间。
图4-1.3
随堂演练
疑难辨析
课堂立标
探究导问
探究学堂
图4-1.2
图4-1.4