2018_2019高中物理第5章研究力和运动的关系5.1牛顿第一定律学案沪科版必修1

5．1　牛顿第一定律
[目标定位]　1.知道关于运动和力的两种对立的观点.2.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.3.理解牛顿第一定律的内容及意义.4.理解惯性的概念，会解释有关的惯性现象．
一、伽利略的实验和牛顿的总结
[问题设计]
1．日常生活中，我们有这样的经验：马拉车，车就前进，停止用力，车就停下来．是否有力作用在物体上物体才能运动呢？马不拉车时，车为什么会停下来呢？
答案　不是．车之所以会停下来是因为受到阻力的作用．
2．阅读课本“重新习惯地球上的生活”部分后请思考：如果没有摩擦阻力，也不受其他任何力的作用，水平面上运动的物体会怎样？
答案　如果没有摩擦阻力，也不受其他任何力，水平面上运动的物体将保持这个速度永远运动下去．
3．伽利略是如何由理想实验得出结论的？
答案　理想实验再现：如图甲所示，让小球沿一个斜面由静止滚下，小球将滚上另一个斜面．如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度．如果减小第二个斜面的倾斜角度，如图乙所示，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更长的路程．继续减小第二个斜面的倾斜角度，如图丙所示，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，而将沿水平面以恒定的速度永远运动下去．
[要点提炼]
1．关于力和运动的两种对立的观点
(1)亚里士多德的观点：力是维持运动的原因，这种错误的观点统治了人们的思维近两千年．
(2)伽利略的观点(伽利略第一次提出)：力不是维持运动的原因，它只是使物体加速或减速的原因．
2．牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止．
3．对牛顿第一定律的理解
(1)定性说明了力和运动的关系．
①说明了物体不受外力时的运动状态：匀速直线运动状态或静止状态．
②说明力是改变物体运动状态即产生加速度的原因．
(2)揭示了一切物体都具有的一种固有属性——惯性．因此牛顿第一定律也叫惯性定律．
4．物体运动状态的变化即物体运动速度的变化，有以下三种情况：
(1)速度的方向不变，只有大小改变．(物体做直线运动)
(2)速度的大小不变，只有方向改变．(物体做曲线运动)
(3)速度的大小和方向同时发生改变．(物体做曲线运动)
二、惯性有大小吗？
[问题设计]
坐在公共汽车里的人，当车突然启动时，有什么感觉？当运动的汽车突然停止时，又有什么感觉？解释上述现象．
答案　当汽车突然启动时，人身体后倾．当汽车突然停止时，人身体前倾．这是因为人具有惯性，原来人和车一起保持静止状态，当车突然启动时，人的身体下部随车运动了，但身体上部由于惯性保持原来的静止状态，所以会向后倾；原来人和车一起运动，当车突然停止时，人的身体下部随车停止了，但身体上部由于惯性保持原来的运动状态，故向前倾．
[要点提炼]
1．惯性：物体保持匀速直线运动或静止状态的特性，叫做惯性．
2．惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性．
3．质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大．
4．惯性与力的关系
(1)惯性不是力，而是物体本身固有的一种属性，因此物体“受到了惯性作用”、“产生了惯性”、“受到惯性力”等说法都是错误的．
(2)力是改变物体运动状态的原因．惯性是维持物体运动状态的原因．
5．惯性的表现
(1)不受力时，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，有“惰性”的意思．
(2)受力时，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．
[延伸思考]
人能推动冰面上的重箱子，用同样的力却推不动粗糙地面上不太重的箱子，是不是冰面上的重箱子惯性小于粗糙地面上不太重的箱子呢？为什么？
答案　不是．质量是物体惯性大小的唯一量度，重箱子的惯性大于轻箱子的惯性．判断物体惯性的大小应在相同情况下比较，比如用同样的力推都处于冰面上或都处于粗糙地面上质量不同的物体，比较哪个物体的运动状态更容易改变．
一、对伽利略理想实验的认识
例1　理想实验有时能更深刻地反映自然规律．伽利略设计了一个如图1所示的理想实验，他的设想步骤如下：
图1
①减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度；②两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面；③如果没有摩擦，小球将上升到原来释放的高度；④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球将沿水平面做持续的匀速运动．
请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列______(只要填写序号即可)．在上述的设想步骤中，有的属于可靠的事实，有的则是理想化的推论．下列有关事实和推论的分类正确的是(　　)
A．①是事实，②③④是推论
B．②是事实，①③④是推论
C．③是事实，①②④是推论
D．④是事实，①②③是推论
解析　本题是在可靠事实的基础上进行合理的推理，将实验理想化，并符合物理规律，得到正确的结论．而②是可靠事实，因此放在第一步，③、①是在斜面上无摩擦的设想，最后推导出水平面上的理想实验④.因此正确顺序是②③①④.
答案　②③①④　B
二、对牛顿第一定律的理解
例2　(多选)由牛顿第一定律可知(　　)
A．物体的运动是依靠惯性来维持的
B．力停止作用后，物体的运动就不能维持
C．物体做变速运动时，一定有外力作用
D．力是改变物体惯性的原因
解析　物体具有保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质叫做惯性，由于惯性的存在，物体才保持原来的运动状态，A对．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，B错，C对．惯性是物体的固有属性，力不能改变物体的惯性大小，D错．
答案　AC
针对训练　如图2所示，小球A静止放在小车的光滑底板上(设小车底板足够长)，当小车受到水平向右的力F作用时，小车从静止开始在水平面上做加速直线运动，则小球A相对于地的运动情况(　　)
图2
A．做匀速直线运动
B．处于静止状态
C．做与小车同方向速度越来越大的直线运动
D．做与小车反方向速度越来越大的直线运动
答案　B
解析　对小球受力分析可知，车内的小球只受竖直方向的重力和支持力，这两个力是一对平衡力，小球所受合外力为零，所以无论车厢如何运动，小球相对于地面仍然处于静止状态，B正确．
三、惯性的理解
例3　关于物体的惯性，下列有关说法正确的是(　　)
A．物体抵抗运动状态变化的性质是惯性
B．已知月球上的重力加速度是地球上的，故一个物体从地球移到月球惯性减小为原来的
C．同一物体运动越快越难停止运动，说明物体的速度越大，其惯性越大
D．由于巨轮惯性很大，施力于巨轮，经过很长一段时间后惯性变小
答案　A
解析　惯性是指物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，所以物体抵抗运动状态变化的性质是惯性，其大小和物体的质量有关系，与物体的运动状态及是否受力无关，A正确，C、D错误；在月球上和在地球上，重力加速度的大小不一样，所受的重力大小也就不一样了，但质量不变，惯性也不变，B错误．
1．(对伽利略理想实验的认识)(多选)关于伽利略的理想实验，下列说法正确的是(　　)
A．只要接触面摩擦相当小，物体在水平面上就能匀速运动下去
B．这个实验实际上是永远无法做到的
C．使用气垫导轨，就能使实验成功
D．虽然是想象中的实验，但是它建立在可靠的实验基础上
答案　BD
解析　只要接触面摩擦存在，物体就受到摩擦力的作用，物体在水平面上就不能匀速运动下去，故A错误．没有摩擦是不可能的，这个实验实际上是永远无法做到的，故B正确．若使用气垫导轨进行理想实验，可以提高实验精度，但是仍然存在摩擦力，故C错误；虽然是想象中的实验，但是它建立在可靠的实验基础上，故D正确．
2．(对牛顿第一定律的理解)(多选)关于牛顿第一定律的理解正确的是(　　)
A．不受外力作用时，物体的运动状态保持不变
B．物体做变速运动时，一定受外力作用
C．在水平地面上滑动的木块最终停下来，是由于没有外力维持木块运动的结果
D．飞跑的运动员，由于遇到障碍而被绊倒，这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态
答案　ABD
解析　牛顿第一定律描述的是物体不受外力作用时的状态，即总保持匀速直线运动状态或静止状态不变，A正确；牛顿第一定律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状态的原因．物体做变速运动说明运动状态在改变，B正确．在水平地面上滑动的木块最终停下来，是由于摩擦阻力的作用而改变了运动状态．飞跑的运动员，遇到障碍而被绊倒，是因为他受到外力作用迫使他改变了原来的运动状态，C错误，D正确．
3．(力与运动的关系)某人用力推一下原来静止在水平面上的小车，小车便开始运动，以后改用较小的力就可以维持小车做匀速直线运动，可见(　　)
A．力是维持物体速度不变的原因
B．力是维持物体运动的原因
C．力是改变物体惯性的原因
D．力是改变物体运动状态的原因
答案　D
解析　力是改变物体运动状态的原因，小车原来静止，在力的作用下小车开始运动，是力使其运动状态发生了改变．用较小的力就能使小车做匀速直线运动是推力与摩擦力的合力为零的缘故．
4．(对惯性的理解)物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质称为惯性．下列有关惯性的说法中，正确的是(　　)
A．乘坐汽车时系好安全带可减小惯性
B．运动员跑得越快惯性越大
C．宇宙飞船在太空中也有惯性
D．汽车在刹车时才有惯性
答案　C
解析　乘坐汽车时系好安全带，不是可以减小惯性，而是在紧急刹车时可以防止人由于惯性的作用飞离座椅，所以A错误；质量是物体惯性大小的惟一量度，与物体的速度的大小无关，所以B、D错误；一切物体都有惯性，在太空中宇宙飞船的质量是不变的，所以其惯性也不变，所以C正确．
题组一　伽利略的理想实验
1．(多选)科学家关于物体运动的研究对树立正确的自然观具有重要作用．下列说法符合历史事实的是(　　)
A．亚里士多德认为，必须有力作用在物体上，物体的运动状态才会改变
B．伽利略通过“理想实验”得出结论：一旦物体具有一定的速度，如果它不受力，它将以这一速度永远运动下去
C．笛卡儿指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向
D．牛顿认为，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质
答案　BCD
解析　亚里士多德认为物体的运动需要力来维持，A错误；伽利略通过“理想实验”得出：一旦物体具有某一速度，如果它不受力，它将以这一速度永远运动下去，B正确；笛卡儿指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向，C正确；由牛顿第一定律知，D正确．
2．(多选)如图1是伽利略的“理想实验”，根据该实验下列说法正确的是(　　)
图1
A．该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的实验依据
B．该实验是理想实验，是在思维中进行的，无真实的实验基础，故其结果并不可信
C．该实验充分证实了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的结论
D．该实验是说明了物体的运动不需要力来维持
答案　AD
解析　该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的实验依据，故A正确．虽然是想象中的实验，但是它建立在可靠的实验基础上，其结果是可信的，故B错误．伽利略由此推翻了亚里士多德的观点，认为力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因，故C错误．该实验是说明了物体的运动不需要力来维持，故D正确．
3．伽利略的理想斜面实验的意义是(　　)
A．证明了力不是维持物体运动的原因
B．证明了力是维持物体运动的原因
C．证明小球总能滚到另一斜面上的同一高度
D．证明小球总能在水平面上做匀速直线运动
答案　A
解析　伽利略的理想斜面实验证明力不是维持物体运动的原因，没有力作用的物体能保持原来的运动状态，故A正确，B错误．伽利略的理想斜面实验证明了运动的物体具有惯性，故C、D错误．
题组二　对牛顿第一定律的理解
4．下列说法正确的是(　　)
A．牛顿第一定律是科学家凭空想象出来的，没有实验依据
B．牛顿第一定律无法用实验直接验证，因此是不成立的
C．理想实验的思维方法与质点概念的建立一样，都是一种科学抽象的思维方法
D．由牛顿第一定律可知，静止的物体一定不受外力作用
答案　C
解析　牛顿第一定律是在理想实验的基础上经过合理归纳总结出来的，虽无法用实验来直接验证，但它是成立的，故A、B错误；理想实验的思维方法与质点概念的建立相同，都是突出主要因素、忽略次要因素的科学抽象的思维方法，故C正确；物体静止时不受外力或合力为零，故D错误．
5．(多选)下列物理现象中，可以用牛顿第一定律解释的是(　　)
A．必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来
B．物体如果向正北方向运动，其受外力方向必须指向正北
C．如果没有外力作用，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向
D．力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因
答案　CD
解析　一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态不变，直到有外力迫使它改变这种状态为止．没有外力作用时，物体可以做匀速直线运动，不一定静止，故A错误；物体向正北方向做匀速直线运动时，可以不受外力，当有向正北方向力的作用时，它向正北运动的速度会变大，当有向正南方向力的作用时，它向正北运动的速度会减小，但仍可以向正北方向运动，B错误；C、D两种说法均符合牛顿第一定律，C、D正确．
6．如图2所示，桌面上有一上表面光滑的木块，木块上有一小球，快速向右拉动木块，小球的位置可能落在桌面上的哪点(　　)
图2
A．A点 B．B点
C．O点 D．无法确定
答案　C
解析　小球在水平方向上不受摩擦力的作用，水平方向运动状态不变，在重力的作用下，小球落在O点，故选C.
7．如图3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(　　)
图3
A．一定相碰 B．一定不相碰
C．不一定相碰 D．无法确定
答案　B
解析　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．
8. 如图4所示，一个劈形物体A，各面均光滑，放在固定的斜面上，上表面水平，在上表面上放一光滑的小球B，劈形物体A从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是(　　)
图4
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　B
解析　小球原来静止时受重力和支持力作用，其合力为零．当劈形物体A由静止释放，A应沿斜面下滑，故B也将运动，运动状态就要发生改变，但由于惯性，小球原来速度为零，没有水平或其他方向上的速度，而小球又光滑，除竖直方向有合力外，其他方向上没有合力，因为力是使物体运动状态改变的原因，故小球只能在竖直方向上运动，在碰到斜面之前，运动轨迹应为一条直线，即竖直向下的直线．
题组三　对惯性的理解
9．下列关于惯性的说法正确的是(　　)
A．质量越大，物体的惯性越大
B．物体的运动状态改变了，则惯性大小随之变化
C．惯性是物体在匀速直线运动或静止时才表现出来的性质
D．由于子弹的速度越大，其杀伤力就越大，所以子弹的惯性大小与其速度大小有关
答案　A
解析　物体在任何状态下均有惯性，并且物体的惯性大小只与质量有关，和物体的速度无关，A正确，B、C、D错误．
10．对下列现象解释正确的是(　　)
A．在一定拉力的作用下，车沿水平面匀速前进，没有这个拉力，小车就会停下来，所以力是维持物体运动状态的原因
B．向上抛出的物体由于惯性，所以向上运动，以后由于重力作用，惯性变小，所以速度也越来越小
C．急刹车时，车上的乘客由于惯性一样大，所以都会向前倾倒
D．质量大的物体运动状态不容易改变，是由于物体的质量越大，惯性越大
答案　D
解析　力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动状态的原因，A错．惯性仅由物体的质量大小决定，与受力无关，B错，D对．车上的乘客质量不一样，故惯性也不一样大，C错．
11．关于惯性，下列说法正确的是(　　)
A．物体自由下落时，速度越来越大，所以物体的惯性消失
B．物体被上抛后，速度越来越小，是因为物体具有的惯性越来越大
C．质量相同的物体，速度较大的惯性一定大
D．质量是物体惯性大小的唯一量度，惯性与速度及物体的受力情况无关
答案　D
解析　质量是物体惯性大小的唯一量度，物体的惯性与速度及受力情况无关，故A、B、C错误，D正确．
12．(多选)小轩很喜欢爸爸新买的数码照相机，在旅途中拍下了火车内桌面上塑料杯瞬间的不同状态，如图5中的甲、乙、丙所示．则下列关于火车运动状态的判断可能正确的是(　　)
图5
A．甲图中火车在匀速运动，乙图中火车突然向左加速，丙图中火车突然向左减速
B．甲图中火车在匀速运动，乙图中火车突然向右加速，丙图中火车突然向左加速
C．甲图中火车在匀速运动，乙图中火车突然向右减速，丙图中火车突然向右加速
D．甲图中火车在匀速运动，乙图中火车突然向左加速，丙图中火车突然向右减速
答案　AC
解析　题图甲中，塑料杯相对于桌面的位置没有发生改变，因此它们的运动状态是相同的，说明此时在匀速运动，题图乙中，塑料杯向右倾倒，说明火车突然向左加速(或向右减速)，因为，火车突然向左加速时，塑料杯的下部由于摩擦也随着加速，而上部由于惯性仍保持原来的运动状态，所以才会向右倾倒，火车向右减速时的情形也可用类似的方法解释；题图丙中，塑料杯向左倾倒，说明火车突然向左减速(或向右加速)，因为，火车突然向左减速时，塑料杯的下部由于摩擦也随着减速，而上部由于惯性仍保持原来的运动状态，所以才会向左倾倒，火车向右加速时的情形也可用类似的方法解释，所以，题图甲中火车在匀速运动，题图乙中火车突然向左加速(或向右减速)，题图丙中火车突然向左减速(或向右加速)，选项A、C正确．
13．(多选)下面是摘自上个世纪美国报纸上的一篇小文章：阿波罗登月火箭在脱离地球飞向月球的过程中，飞船内宇航员通过无线电与在家中上小学的儿子汤姆通话．宇航员：“汤姆，我们现在已关闭火箭上所有发动机，正向月球飞去．”汤姆：“你们关闭了所有发动机，那么靠什么力量推动火箭向前运动？”宇航员犹豫了半天，说：“我想大概是伽利略在推动火箭向前运动吧．”若不计星球对火箭的作用力，由上述材料可知下列说法正确的是(　　)
A．汤姆问话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”
B．宇航员答话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”
C．宇航员答话所体现的物理思想是“物体运动不需要力来维持”
D．宇航员答话的真实意思是火箭正在依靠惯性飞行
答案　ACD