粤教版（2019）高中物理 必修第一册 第4章 第1节　牛顿第一定律学案

第一节　牛顿第一定律
学习目标：1.[物理观念]知道惯性的概念，理解其含义；知道牛顿第一定律的内容和意义，能解释相关的实际问题．　2.[科学思维]掌握牛顿第一定律及惯性，并能应用解释有关现象，学会理想实验法．　3.[科学探究]能够跟随大师脚步用理想实验探究规律，学会与他人合作交流，探讨物理规律．　4.[科学态度与责任]体会在实验中尊重事实，实事求是，敢于大胆质疑积极探索科学规律的宝贵品质，愿为科学进步作出贡献而努力．
一、伽利略的理想实验
1．亚里士多德认为：维持物体运动需要力．
2．伽利略的理想实验
(1)斜面实验：将轨道弯成曲线，在轨道的一边释放一颗钢珠，如果不存在摩擦力，钢珠将上升到轨道另一边与原来的释放高度相同的点．减小另一边斜面的倾角，钢珠滚动的距离增大，当另一边斜面放平，钢珠将永远运动下去．
(2)推理结论：物体的运动不需要力来维持．
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，直到有外力迫使它改变这种状态为止．
2．牛顿第一定律的意义
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．
说明：维持运动是惯性，改变运动是力的原因．
三、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称为惯性．
2．惯性是物体的固有属性，与物体的受力情况及运动情况无关．
注意：一切物体任何情况下都有惯性．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)伽利略的理想实验是科学的理想实验． (√)
(2)牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因． (√)
(3)任何物体只要运动状态不变，它一定不受外力作用． (×)
(4)物体的运动状态发生变化，是物体有惯性的原因． (×)
2．牛顿第一定律揭示了(　　)
A．若物体运动，它一定受力
B．物体不受力，它一定静止
C．力的作用就是维持物体运动
D．物体在任何情况下都有惯性
D　[牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，即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，A、C错；物体若不受力，将会保持静止或匀速直线运动状态不变，B错；牛顿第一定律还揭示了任何物体都具有惯性，因此又叫惯性定律，D对．]
3．关于物体的惯性，下述说法中正确的是(　　)
A．运动速度大的物体不能很快地停下来，是因为物体速度越大，惯性也越大
B．静止的火车启动时，速度变化慢，是因为静止的物体惯性大
C．乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球惯性小
D．在宇宙飞船中的物体不存在惯性
C　[惯性大小只与物体质量有关，与物体的速度无关，故A错误；质量是物体惯性大小的唯一量度，火车速度变化慢，表明它的惯性大，是因为它的质量大，与是否静止无关，故B错误；乒乓球能被快速抽杀，表明它的运动状态容易发生改变，是因为它的惯性小，故C正确；一切物体在任何情况下都有惯性，故D错误．]
力和运动状态
很多同学都很喜欢足球运动，在一次比赛中，对于被运动员踢出的在水平草地上运动的足球．
请探究：
(1)甲同学认为足球受重力、支持力、空气和草地的阻力，还有向前的推力，你认为他的观点正确吗？
(2)乙同学认为足球之所以会停下来，原因是足球受到阻力改变了其运动状态，你认为他的观点正确吗？
提示：(1)不正确，足球没有受到向前的推力．
(2)正确．
1．亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因
两千多年前，人们的观测方法、手段有限，主要凭“直觉＋观察”得出这样一个错误结论——力是维持物体运动的原因．而在当时也没有更先进的观测手段去否定这样一个错误结论，在以后的两千年内，动力学一直没有多大的发展，总认为有力的作用，物体才会运动，没有力的作用，物体就会停下来．
2．伽利略的理想斜面实验
甲　　　　乙　　　　　丙
如图甲所示，让小球沿一个斜面从静止滚下，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．
如果第二个斜面倾斜角度小，如图乙，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，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，而沿水平面以恒定的速度持续运动下去．
3．伽利略的思想方法
伽利略用“实验＋科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点．
伽利略的理想斜面实验虽然是想象中的实验，但这个实验反映了一种物理思想，它是建立在可靠的事实基础之上的．以事实为依据，以抽象为指导，抓住主要因素，忽略次要因素，从而深刻地揭示了自然规律．
伽利略的观点：在水平面上的物体，设想没有摩擦，一旦物体具有某一速度，物体将保持这个速度一直运动下去．
4．笛卡儿的观点
若没有其他原因，运动物体将继续以原来的速度沿直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向．笛卡儿补充和完善了伽利略的观点．
【例1】　理想实验有时能更深刻地反映自然规律．伽利略设想了一个理想实验，下面对如图所示的斜面实验的设想步骤中，有一个是实验事实，其余是推论．
①减小第二个斜面的倾角，小球在这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时的高度．
④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它变成水平面，小球将沿水平面做持续的匀速运动．
(1)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)．
(2)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．下列关于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
[思路点拨]　理想实验是一种思维活动，是抽象思维中设想出来的、无法做到的实验，但是理想实验是建立在可靠事实的基础上的．
[解析]　本题考查对理想斜面实验的理解．只有②是事实，其他是推论．(1)排列顺序为②③①④；(2)应选B.
[答案]　(1)②③①④　(2)B
对理想实验的认识
“理想实验”虽然叫作“实验”，但它同真实的科学实验是有区别的．真实的科学实验是一种实践活动，而“理想实验”则是一种思维的活动，前者是可以将猜想通过物理过程实现的实验，后者则是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”．
[跟进训练]
1．伽利略的理想斜面实验说明(　　)
A．力是维持物体运动的原因
B．力是保持物体速度不变的原因
C．力是使物体产生加速度的原因
D．力不是维持物体运动的原因
D　[伽利略的理想斜面实验说明力不是维持物体运动的原因，不受外力作用的物体能保持原来的运动状态．力是使物体产生加速度的原因不是由伽利略的斜面实验得出的．]
牛顿第一定律
自行车是最常见的交通工具，而且绿色、低碳、环保．
请探究：
(1)如果要使自行车在平直公路上匀速行驶，必须不断蹬踏，是否违背牛顿第一定律．
(2)如果不给自行车提供力，自行车会慢慢停止，是否说明第一定律是违背事实的？
提示：(1)不违背．因人与自行车所受合外力为零，故匀速直线运动．
(2)不违背．说明力是改变物体运动状态的原因．
1．对牛顿第一定律的理解
(1)定性说明了力和运动的关系：
①力是改变物体运动状态的原因，或者说力是产生加速度的原因，而不是维持物体运动状态的原因．
②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)揭示了一切物体都具有一种固有属性——惯性．因此牛顿第一定律也叫惯性定律．
2．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)
3．注意
(1)牛顿第一定律所描述的是物体不受外力作用时的状态，与物体所受合外力为零是等效的．
(2)牛顿第一定律不是实验定律，它是在理想实验的基础上总结得出的．
【例2】　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
[思路点拨]　①小车上表面光滑且足够长，说明小车停止运动后，两小球在水平方向不受外力的作用，且不会滑离小车．②两小球随车一起运动，说明两球与小车的速度均相同．
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．]
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，要把握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：一要看物体原来的运动状态，二要看物体现在的受力情况，最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象．
[跟进训练]
2．火车在长直水平轨道上匀速行驶，在门窗紧闭的车厢内，有一个人竖直向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为(　　)
A．人跳起时会得到一个向前的冲力，使他随火车一起向前运动
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，车在继续前进，所以人落下后必定偏向后一些，只是由于时间很短，偏后的距离太小，不明显而已
D．人跳起后直到落地，在水平方向上人和车始终具有相同的速度
D　[人向上跳起后，由于惯性保持向前的运动速度，所以人在空中时在向前的方向上仍具有和火车一样的速度，从而落回到车上的原处．]
惯性
如图为月球车示意图，在探究月球的奥秘中起到很大作用．
请探究：
(1)当该月球车分别在地面和月面以相同速率行驶时，因在地球上所受重力大，所以说惯性大，这种说法对吗？
(2)当月球车运动速度大比运动速度变小时难以停下来，是不是速度大时，惯性大？
提示：(1)不是．惯性只与质量有关，质量不变惯性不变．
(2)不是．
1．惯性的理解
(1)惯性是物体保持原状态的一种性质，是物体维持运动状态的原因．
(2)一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性．
2．惯性的表现形式
(1)物体不受力时，惯性表现为保持原来的运动状态．
(2)物体受力且合力不为零时，物体仍然具有惯性，此时惯性表现为物体运动状态改变的难易程度，惯性越大，物体运动状态越难改变．
3．几个关系
(1)惯性与质量的关系：质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大．
(2)惯性与力的关系：惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，惯性大小与物体的受力情况无关．
(3)惯性与速度：一切物体都有惯性，惯性大小与物体是否有速度及速度的大小无关．
(4)惯性与惯性定律：惯性是物体具有的一种固有属性，惯性定律是物体不受外力时所遵循的一条规律，惯性不同于规律．惯性定律揭示了物体的惯性．
【例3】　关于惯性，下列说法中正确的是(　　)
A．同一汽车，速度越快，越难刹车，说明物体速度越大，惯性越大
B．物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性
C．乒乓球可以快速扣杀是因为乒乓球的惯性小
D．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
[思路点拨]　惯性只与质量有关，与速度、重力等均无关．
C　[物体的惯性大小与物体的运动状态无关，只与物体的质量有关，所以惯性与速度的大小无关，故选项A、B错误；乒乓球可以快速扣杀，是因为乒乓球的质量小，所以它的惯性小，故选项C正确；在月球上和在地球上，重力加速度的大小不一样，所以受到的重力的大小也就不一样，但质量不变，惯性也不变，故选项D错误．]
惯性的特性
(1)普遍性：一切物体都有惯性．
(2)唯一性：质量是惯性大小的唯一量度．
(3)无关性：惯性大小与运动状态无关，与受力情况及所处位置无关．
[跟进训练]
3．在物理课上，老师在讲解“惯性”概念时，做了一个小实验：用两根细绳分别悬挂一个乒乓球和一个同体积的实心小铁球，用力对着乒乓球吹气，乒乓球偏离了竖直方向；用几乎同样大的力对着小铁球吹气，小铁球几乎没有动．这个实验主要说明的物理问题是(　　)
A．只有运动的物体才具有惯性
B．只有静止的物体才具有惯性
C．物体的质量越大，其具有的惯性也越大
D．一切物体都具有惯性
C　[物体在任何情况下都有惯性，物体惯性的大小仅由其质量大小决定，质量越大，惯性越大．]
1．物理观念：牛顿第一定律、惯性．
2．科学思维：理想实验对牛顿第一定律和惯性的理解及应用．
3．科学方法：假设法、极限法、逻辑推理法．
1．关于力和运动的关系，下列说法正确的是(　　)
A．物体受力才会运动
B．力是使物体运动状态发生改变的原因
C．停止用力，运动的物体就会停止
D．力是使物体保持静止或匀速直线运动状态的原因
B　[由牛顿第一定律可知，力的作用不是使物体产生运动，而是使物体改变运动状态，如果物体原来是运动的，不受力将永远运动下去，即物体的运动不需要力来维持，选项A、C错误，B正确；物体保持静止或匀速直线运动状态，是物体不受力或所受合外力为零时的运动规律，并不是力作用的结果，选项D错误．]
2．下列关于惯性的说法正确的是(　　)
A．空间站中的物体由于处于失重状态会失去惯性
B．羽毛球可以快速扣杀，是因为羽毛球惯性小
C．静止的火车启动十分缓慢，说明火车静止时惯性较大
D．从高处下落的玻璃杯比从低处下落的玻璃杯容易碎，是因为前者惯性比较大
B　[惯性是物体的固有属性，在任何情况下都有惯性，失重时也有惯性，故A错误；物体的惯性只与物体的质量有关，羽毛球的质量小，惯性小，容易扣杀，故B正确；惯性与速度无关，故C错误；惯性与物体所处的位置高度无关，故D错误．]
3．关于牛顿第一定律，下面说法中错误的是(　　)
A．牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时物体的运动规律
B．牛顿第一定律就是惯性
C．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
D．运动的物体状态发生变化时，物体必定受到外力的作用
B　[牛顿第一定律有三层含义：不受力时物体将保持静止状态或匀速直线运动状态，是由于一切物体均有惯性，故C说法正确；受到力的作用物体的运动状态会发生变化，揭示出力是改变物体运动状态的原因，故D说法正确；定律指出了物体在不受力时的运动状态，故A说法正确；牛顿第一定律并不是惯性，惯性是物体的一种性质，而牛顿第一定律是物体的运动规律，是两个不同的概念，不可混为一谈，故B说法错误．]
4．关于牛顿第一定律，下列说法正确的是(　　)
A．牛顿第一定律是依靠实验事实，直接归纳总结得出的
B．根据牛顿第一定律可知，力是维持物体运动的原因
C．惯性是物体的固有属性，物体的质量越大，惯性越大
D．物体保持静止或匀速直线运动状态时有惯性，加速时没有惯性
C　[牛顿第一定律是牛顿在伽利略等前人实验的基础上，根据逻辑推理得出的，是以实验为基础，但又不是完全通过实验得出，A错误；根据牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动的原因，B错误；惯性是物体的固有属性，一切物体在任何情况下都有惯性，惯性的大小只与物体的质量有关，与物体的运动状态、是否受力等因素没有关系，物体的质量越大，惯性越大，C正确，D错误．]
5.如图所示是一种汽车安全带控制装置．当汽车处于静止或匀速直线运动时，摆锤竖直悬挂，锁棒水平，棘轮可以自由转动，安全带能被拉动．当汽车突然刹车时，摆锤由于惯性绕轴摆动，使得锁棒锁定棘轮的转动，安全带不能被拉动，若摆锤从图中实线位置摆到虚线位置．
问题：(1)汽车的可能运动方向和运动状态如何？
(2)当汽车停下来时，安全带能被拉动吗？
分析：(1)当摆锤摆到图中虚线位置时，汽车可能向右减速，也可能是向左加速运动．
(2)当汽车停止时，又恢复到实线位置，安全带能被拉动．
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