第四章 牛顿运动定律
本章设计
本章是在前面三章对力和运动分别研究的基础上，进一步探讨物体的运动状态变化和物体的受力情况间的关系，在物理学上把本章内容称为动力学.牛顿运动定律是动力学的基础，也是整个经典物理理论的基础.
正确地理解惯性的概念，理解物体间相互作用的规律，熟练地运用牛顿第二定律解决问题，是本章学习的重点，也为进一步学习今后的知识，提高分析解决问题的能力奠定基础，牛顿运动定律的应用是本章的难点，也是高考的热点.
本章还涉及了许多重要的研究方法，如：在牛顿第一定律的研究中采用的理想实验法，牛顿第二定律中的控制变量法，运用牛顿第二定律处理问题时常用的整体法与隔离法，以及单位的规定方法、单位制的创建等.对这些方法要让学生认真体会、理解，以提高认知的境界
为了更扎实地理解牛顿第二定律，本章第二节安排了实验：探究加速度与力、质量的关系，并提供了参考案例，实验操作方便，规律性强，结论容易获得，控制变量法在此得到了实践.第五节牛顿第三定律的研究引入了传感器——计算机的组合，现代气息浓厚，实验效果很好.
物理知识来源于生活，最终应用于生活，本章的后两节就是牛顿运动定律的简单应用.
新课标要求
1.通过实验，探究加速度与质量、物体受力之间的关系.
2.理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律解释生活中的有关问题.
3.通过实验认识超重和失重.
4.认识单位制在物理学中的重要意义，知道国际单位制中的力学单位.计划共7课时：
1 牛顿第一定律
1课时
2 实验：探究加速度与力、质量的关系
1课时
3 牛顿第二定律
1课时
4 力学单位制
1课时
5 牛顿第三定律
1课时
6 用牛顿定律解决问题（一）
1课时
7 用牛顿定律解决问题（二）[来源:21世纪教育网
1课时
1 牛顿第一定律
整体设计
牛顿第一定律揭示了运动和力的关系，是牛顿物理学的基石，力学的第一原理，它破除了长达两千年以来亚里士多德的错误，改变了人类的自然观和世界观，本身还包含着力、惯性和参考系的科学概念，是物理学理论的支柱和基石.在教学中，不能把它看作牛顿第二定律的特殊情况，它意在引导学生了解科学的发现和发展.本节课采用的理想实验法，在物理研究中具有十分重要的地位和作用.
本课程的教学设计，主要是让学生通过动手实验和利用贴近学生生活的实例，达到突破重难点的目的.
教学重点21世纪教育网
1.理解力和运动的关系.
2.理解牛顿第一定律，知识惯性与质量的关系.
教学难点
惯性与质量的关系.21世纪教育网
课时安排
1课时
三维目标
知识与技能
1.理解力和运动的关系，知道物体的运动不需要力来维持.
2.理解牛顿第一定律，知道它是逻辑推理的结果，不受力的物体是不存在的.
3.理解惯性的概念，知道质量是惯性大小的量度.
过程与方法
培养分析问题的能力，要能透过现象了解事物的本质，不能不加研究、分析而只凭经验，对物理问题决不能主观臆断.正确地认识力和运动的关系.
情感态度与价值观
1.培养科学研究问题的态度.
2.利用生活中的例子来认识惯性与质量的关系.鼓励学生大胆发言，并学以致用.
课前准备
教具准备：多媒体课件、小车、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺、木块、气垫导轨、滑块等.
知识准备：力的概念及力的作用效果.
教学过程
导入新课
常识导入
1.我国公安交通部门规定，从1993年7月1日起，在各种小型车辆前排乘坐的人（包括司机）必须系好安全带，为什么？
2.常见的柴油机、电动机等机器的底座非常沉重，而参加作战任务的战斗机却要抛掉副油箱以减小质量，这是为什么呢？你能解释一下吗？
情景导入
用多媒体播放牛耕地的画面：牛耕地时，牛拉着犁前进；牛停止拉犁，犁也停止运动.边播放边介绍，牛拉犁，犁前进；牛停犁也停.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——两千多年前古希腊科学家亚里士多德就得出了这样的结论，这个结论正确吗？
学生讨论，教师借机导入新课.
推进新课
一、理想实验的魅力
自主探究
让学生利用桌子上的器材，自主设计实验，分别研究：
1.力推物动，力撤物停.
2.力撤物不停.
供选用器材：小车、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺等.
学生操作时，教师巡回指导学生完成以下操作：
1.桌子上铺毛巾，小车放在毛巾上，推它就动，不推就停；
2.将毛巾换成玻璃板，或直接用桌面，把小车在桌面或玻璃板上推一下，它运动一段时间才停下来.
学生操作结束后，教师可以让一个学生说一下他的操作过程及看到的现象，由此可以得到结论.
结论：物体的运动不需要力来维持.
为了证明这个结论的正确性，再让学生举出一些其他的实例来说明.如：蹬一段时间自行车后停止蹬车，自行车还会滑行一段距离；在冰面上踢出去的冰块要运动一段距离才停止运动；空中飞行的飞机制动后仍然还会向前滑翔；射出枪蹚的子弹等等.
既然物体的运动不需要力来维持，刚才的两个实验为什么会出现两种现象呢？矛盾出现在哪里呢？下面用小球来做个对比实验.
实验探究
图4-1-1
A.使斜槽下端与桌子上铺好的毛巾吻合，让小球从斜槽上自由滚下，标出小球在毛巾上滚动的距离；
B.使斜槽下端直接与桌面吻合，让小球从斜槽上同一位置自由滚下，标出小球在桌面上滚动的距离；
C.使斜槽下端与桌面上的玻璃吻合，让小球从斜槽上同一位置自由滚下，标出小球在玻璃上滚动的距离.
通过观察对比实验，让学生分析实验，总结实验：
接触面越光滑，小球滚动的距离越远.
结论：运动小球停下来的原因是受到摩擦力的作用.
为了引出伽利略的理想实验，教师可继续设疑：若接触面光滑无摩擦小球会怎样？
学生讨论、交流，大胆猜想.（充分发挥学生的想象空间，发散思维）
在学生讨论交流的基础上，结合实验进一步总结.
结论：物体的运动不需要力来维持.力撤物停的原因是因为摩擦力.若无摩擦力，运动物体会一直运动下去.最早发现这一问题的科学家是伽利略，他是怎样研究这个问题的呢？
（课件展示）用多媒体播放伽利略的理想实验（边播放边介绍）要动态出以下效果：
图4-1-2
A.对称斜面，无摩擦小球滚到等高.
B.减小另一侧斜面倾角，小球从同一位置自由释放要滚到等高，滚动距离越远.
C.把另一侧斜面放平，小球要到等高，就会一直滚下去.
根据这一现象伽利略得出了：运动的物体若不受力，物体将匀速运动下去.
为了验证这个理论的正确性，下面通过气垫导轨实验来验证一下：[来源:21世纪教育网
（介绍气垫导轨、光电门工作原理）
演示1：利用气垫导轨消除摩擦，让滑块在导轨上滑动，利用光电门测出滑块在不同位置的速度.
学生记录数据并比较，感受伽利略理论的正确性.
让学生阅读课本找出：
1.伽利略的观点.
2.笛卡儿的补充和完善.
3.牛顿第一定律.
对比三个人的观点，他们都是叙述力和运动关系的，谁的更全面？
学生回答问题：
1.伽利略：物体不受力时，运动的物体一直做匀速直线运动.
2.笛卡儿：物体不受力时，物体将永远保持静止或运动状态，永远不会使自己沿曲线运动，而只保持在直线上运动.
3.牛顿：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.
综上所述，牛顿第一定律更全面、更完善.
二、牛顿物理学的基石——惯性定律
为了进一步加深对牛顿第一定律的理解，培养学生理解问题的能力，教师可继续设疑：既然牛顿第一定律更完善，那么它从几个方面阐述了力和运动的关系？
让学生讨论交流并回答：
两个方面：不受力时，物体保持匀速直线运动状态或静止状态；受力时，力迫使它改变运动状态.
在学生回答基础上，进一步总结：
力不是维持物体运动状态的原因，力是改变物体运动状态的原因.
设疑：牛顿第一定律能否用实验来验证？
结论：不能，因为不受力作用的物体是不存在的.
受力但合力为零可看作不受力.在学生回答的基础上，作出肯定，并指出：牛顿第一定律虽然所描述的是一种理想化状态，但它却正确揭示了自然规律.
三、惯性与质量
演示2：在小车上竖放一长条木块，让小车在光滑玻璃板上运动，前面固定一个物体，
当车被物块挡住时，车上的木块向前倾倒，为什么？
图4-1-3
引导学生分析：木块随车一起运动，当车被挡住时，车停止运动，木块的下半部分受到车的摩擦作用也随车停止运动，而上半部分由于要保持原来的运动状态，故向前倾倒.物体这种保持原来运动状态不变的性质叫惯性.
举例说明：①木块立在静止的车上，忽然拉动小车，木块后倾.
②人站在匀速行驶的车厢内竖直向上跳起，仍落回原地.
总结：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.
从牛顿第一定律我们得知，一切物体都有保持它们原来的匀速直线运动或静止状态的性质，所以牛顿第一定律又叫惯性定律.当力迫使它改变这种状态时，它就会有抵抗运动状态改变的“本领”.这个“本领”与什么因素有关？请大家通过实例分析.
讨论交流：载重货车启动时，由静止到高速得需要较长一段时间；百米冲刺到终点后，体重大的运动员较难停下来.
通过这样的实例分析，使学生总结出：运动状态变化的难易程度与质量有关.
结论：惯性大小与质量有关，质量大的物体惯性大；质量小的物体惯性小.
课堂训练
1.下列关于惯性的说法中，正确的是（ ）
A.人走路时没有惯性，被绊倒时有惯性
B.百米赛跑到终点时不能立即停下是由于惯性，停下时就没有惯性了
C.物体没有受外力作用时有惯性，受外力作用后惯性被克服了
D.物体的惯性与物体的运动状态及受力情况均无关
解析：惯性是物体的固有属性，与其内在因素即质量有关，与受力与否及运动状态无关.一切物体都有惯性，质量是物体惯性大小的量度，静止物体的惯性是保持静止，匀速运动的物体的惯性是保持其速度不变.当物体在外力作用下运动状态发生变化时，只要其质量不变，其惯性大小不发生变化.
答案：D
2.如图4-1-4所示，当你在平直路面上骑自行车时，是否觉得用力不停地蹬，车才会匀速前进，一旦不用力蹬，车子就会减速，甚至停下呢？这与牛顿第一定律矛盾吗？试解释之.
图4-1-4
解答：对比用力蹬和不用力蹬两种情况，发现不蹬车时，车减速，运动状态改变，这是因为有阻力作用；而蹬车时，虽用力蹬车，但合外力为零，因此可以匀速前进，仍然符合牛顿第一定律.
3.有一仪器中电路如图4-1-5所示，其中M是质量较大的一个金属块，两端与弹簧相连接，将仪器固定在一辆汽车上，当汽车启动时，哪只灯亮？当汽车急刹车时，哪只灯亮？为什么？
图4-1-5
解答：当汽车启动时，汽车的速度变大了，而金属块由于惯性，将保持原来的静止状态，而相对于汽车向后运动，从而使绿灯所在的电路被接通，所以启动时绿灯亮；反之，刹车时，汽车的速度变小了，而金属块由于惯性，将保持原来的速度运动，而相对于汽车向前运动，从而使红灯所在的电路被接通，所以刹车时红灯亮.当汽车匀速行驶时，弹簧将使金属块复位，两灯均不亮.
课堂小结
通过本节的学习，我们知道了：
1.历史上几位科学家对力和运动关系的看法和研究.
2.伽利略得到力和运动关系的研究方法.
3.牛顿第一定律的内容.
4.惯性及应用惯性知识解决实际问题的方法.21世纪教育网
布置作业
1.教材第71页“问题与练习”1、2、3题.
2.阅读科学漫步，思考讨论惯性参考系.
板书设计
1 牛顿第一定律
理想实验的魅力
牛顿物理学的基石——惯性定律
惯性与质量
内容(或定义)
１.亚里士多德的观点
２.伽利略的观点３.笛卡儿的观点
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止
物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性
说明
通过学习人类对运动和力关系的认识，体会科学家对人类的贡献和正确思想的来之不易
(1)物体不受外力时，运动状态保持静止或匀速直线运动,说明力不是维持物体运动的原因
(2)外力的作用是迫使物体改变原来的运动状态，说明力是改变物体运动状态的原因
(3)一切物体都有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,叫做惯性
(1)一切物体在任何状态下都有惯性
(2)惯性是物体的固有性质[来源:21世纪教育网
(3)物体的惯性只与质量有关
活动与探究
课题：比较惯性大小与质量的关系
方法：在相同的路面上，穿相同运动鞋的甲、乙两人进行拔河比赛.
原理：双方与地面间的动摩擦因数相同，则双方与地面间的最大静摩擦力取决于各方的质量，而最大静摩擦力大的一方易获胜.
结论：质量大的物体惯性大.
习题详解21世纪教育网
1.解答：（1）不能击中目标.因为投下的炸弹由于惯性水平方向保持匀速直线运动.21世纪教育网
（2）跳起后，水平方向由于惯性始终与地球的速度相同.
2.解答：刹车停止时，人下部随车停止，而上部身体由于惯性保持匀速直线运动，致使向前倾倒而易发生事故.
3.解答：该同学的错误在于认为力是维持物体运动的原因.实际上向上抛出的物体是由于惯性继续向上运动的，不需要向上的作用力.
4.解答：地球是一个惯性系，小车相对于地面向右以加速度a做匀加速运动，如图4-1-6所示，小车内的光滑平台上有一小球相对于地面静止.若选小车为参考系，则小球相对于小车这一非惯性系，是做向左的匀加速直线运动，不是静止，也不是匀速直线运动，即惯性定律在非惯性系中不成立.
图4-1-6
设计点评
本节课先通过多媒体播放画面引出束缚人类思想近两千年的亚里士多德的观点，通过让学生亲自实验操作，并举例分析认识到他的观点是错误的，引出伽利略的观点，并通过实验来验证它的正确性.在此基础上引出牛顿的观点，即牛顿第一定律的内容及惯性的概念.对惯性的理解对学生来说是一个难点，本节课是通过实验来增强学生的感性认识，并通过实例分析让学生理解质量是物体惯性大小的量度，实现从感性认识到理性认识的过渡.
自主广场
我夯基 我达标
1.下列说法中正确的是（ ）
A.物体只有受外力作用时才有惯性21世纪教育网
B.物体速度大时惯性大
C.惯性是物体的固有属性，其大小仅与物体的质量有关
D.放在太空中的物体将失去惯性
解析：惯性是物体的固有属性，其大小仅与物体的质量有关，与物体所处的位置、运动状态和受力等无关，故本题的正确选项为C.
答案:C
2.伽利略的理想实验证明了（ ）
A.物体运动必须有力作用，没有力的作用物体将静止21世纪教育网
B.要物体静止必须有力作用，没有力的作用物体就要运动
C.物体不受力作用时，一定处于静止状态
D.物体不受力作用时，总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态
解析：伽利略的理想实验是牛顿第一定律的基础，它描述了力的作用不是使物体运动，也不是使物体静止，而是使物体运动状态改变的原因；当物体不受外力时，总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，故排除A、B、C,D对.
答案：D
3.某人用力推原来静止在水平面上的物体，此物体便开始运动，此后仅用较小的力就可以维持物体的匀速直线运动，可见（ ）
A.力是使物体运动的原因 B.力是维持物体运动速度的原因
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
解析：要使物体运动，外力需克服物体的最大静摩擦力，物体运动以后要保持物体匀速运动，外力大小要等于物体所受到的滑动摩擦力，由此可知：力的作用不是使物体运动，也不是维持物体运动状态的原因，而是使物体运动状态改变的原因，故排除C.
答案：D21世纪教育网
4.关于物体的惯性，以下说法中正确的是（ ）
A.惯性是物体保持原来运动状态的力21世纪教育网
B.物体在没有受到外力作用时，能保持匀速直线运动状态或静止状态，是有惯性的；受到外力作用时，物体不能保持匀速直线运动状态或静止状态了，因而惯性也就不存在了
C.汽车行驶得越快，刹住它越困难，所以速度越大的物体惯性越大[来源:21世纪教育网]
D.无论在什么地方，质量越大的物体惯性越大
解析：惯性是物体本身具有的属性，质量越大的物体运动状态越不易改变.质量是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性越大，质量越小，惯性越小，惯性大小仅由物体本身的质量决定，而与是否受力及物体的运动状态均无关.
答案：D
5.做自由落体运动的物体，如果下落过程中某时刻重力突然消失，物体的运动情况将是（ ）
A.悬浮在空中不动 B.速度逐渐减小
C.保持一定速度向下做匀速直线运动 D.无法判断[来源:21世纪教育网]
解析：物体自由下落时，仅受重力作用，重力消失以后，物体将不受力，根据牛顿第一定律的描述，物体将以重力消失瞬间具有的速度做匀速直线运动，故答案应选C.
答案：C
6.以下各说法中正确的是（ ）
A.牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时的运动规律
B.不受外力作用时，物体的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，是由于没有外力维持木块运动的结果
D.物体运动状态发生变化时，必定受到外力的作用
解析：在水平地面上滑动的木块最终要停下来，是因为受到摩擦力作用，从而运动状态发生了改变，所以C错误.
答案：ABD
我综合 我发展
7.下列关于惯性的说法中正确的是（ ）
A.一个同学看见某人在推静止的小车，但没有推动.于是他说，这是因为惯性太大的缘故
B.一个物体原来以10 m/s的速度运动，后来变为30 m/s，则其惯性变大了
C.已知月球上的重力加速度是地球上的1/6，所以将一个物体从地球移到月球，其惯性为原来的1/6
D.在宇宙飞船中的物体惯性不变
解析：力是改变物体运动状态的原因，物体未动除与物体的质量有关之外，还与物体的受力有关，故A错误.物体的惯性与物体的运动状态和所处位置无关，故选D.
答案：D
8.一个小球正在做曲线运动时，若突然撤去所受的力，它将（ ）
A.立即停下来 B.仍做曲线运动 C.做减速运动 D.做匀速直线运动
解析：做曲线运动的物体，在某一瞬时它的速度大小和方向都为一定值.撤去所受的力时，由于惯性，将以撤力瞬间的速度做匀速直线运动.[来源:21世纪教育网
答案：D
9.如图4-1-1所示，在一辆表面光滑的小车上，有质量分别为m1、m2的两个小球（m1>m2）随车一起匀速运动，当车突然停止时，如不考虑其他阻力，设车足够长，则两个小球（ ）21世纪教育网
图4-1-1
A.一定相碰 B.一定不相碰
C.不一定相碰 D.难以确定是否相碰，因为不知小车的运动方向
解析：当小车停止时，两小球在水平方向上不受力作用，保持原来的速度做匀速直线运动，故两小球一定不相碰.
答案：B
10.如图4-1-2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，劈形物体从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是（ ）
图4-1-2
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
解析：本题考查力和物体运动状态变化的关系.力是改变物体运动状态的原因，物体不受力将保持原来的静止或匀速直线运动状态.
由于劈形物体A各面均光滑，所以小球B在水平方向上不受力作用，故小球B在水平方向上将保持“静止”状态；小球B由于在竖直方向上受到重力和物体A的支持力作用，运动状态改变做竖直方向的运动.故答案应选B.
答案：B[来源:21世纪教育网
11.(2006广东高考A卷，1)下列对运动的认识不正确的是（ ）
A.亚里士多德认为物体的自然状态是静止的，只有当它受到力的作用才会运动
B.伽利略认为力不是维持物体速度的原因
C.牛顿认为力的真正效应总是改变物体的速度，而不仅仅是使之运动
D.伽利略根据理想实验推论出，如果没有摩擦，在水平面上的物体，一旦具有某一个速度，将保持这个速度继续运动下去21世纪教育网
解析：物体的运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因.所以亚里士多德的观点是错误的.
答案：A
我创新 我超越
12.在水平轨道上行驶的火车，车厢中的桌面上放着一个皮球，它能静止在桌面上.探究一下如果皮球发生下面的运动，讨论火车的运动状态发生了怎样的变化.
（1）皮球向前运动______________________________________________________________.
（2）皮球向后运动______________________________________________________________.
（3）皮球向右运动______________________________________________________________.
（4）皮球向左运动______________________________________________________________.
答案:略
