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4.1 牛顿第一定律
【学习目标】
1．结合历史上对力和运动关系的研究过程，了解各个代表人物的观点。知道伽利略的理想实验及其推理过程，知道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。
2．结合生活实例，认识牛顿第一定律和惯性，会阐述牛顿第一定律的内容，知道质量是惯性大小的量度。进一步理解力和运动的关系，会解释和惯性有关的现象，体会物理学知识的实际应用价值。
【情境思考】
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就运动，没有力的作用物体就停止运动呢？马不拉车时，车为什么会停下来呢？关于运动和力的关系，伽利略和亚里士多德的观点，是否相同？
【认知发展·探索】
主题探索一、理想实验的魅力
问题情境
为了驳斥力是维持物体运动的原因的观点，伽利略设计了如图所示的实验：让一个小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一个斜面。如果没有摩擦，小球将到达原来的高度。
1．如果另一个斜面的倾角减小，小球到达的高度和运动的距离如何？斜面最终变为水平面时，小球的运动将会怎样？
2．以上现象说明什么？
3．有人认为伽利略斜面实验为理想实验，无法验证，故不能揭示自然规律，该说法是否正确？为什么？
【过程建构】
1．对运动与力的关系的认识历程
代表人物 主要观点
亚里士多德 必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在某个地方
伽利略 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
笛卡儿 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，既不会停下来，也不会偏离原来的方向
2．伽利略的理想实验
(1)伽利略用“实验+科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点。
(2)第一次确立了物理实验在物理学中的地位。
(3)初步揭示了力和运动的关系，即力不是维持物体运动状态的原因，而恰恰是改变物体运动状态的原因。
【过程评价】
【例1】理想实验有时更能深刻地反映自然规律。伽利略设想了一个理想斜面实验，如图所示。实验步骤如下。
①减小右侧斜面的倾角，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时的高度。
④继续减小右侧斜面的倾角，最后使它成水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动。
(1)请将上述理想实验的步骤按照正确的顺序排列______（只写序号即可）。
(2)在上述步骤中，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
主题探索二、牛顿第一定律
问题情境
1687年，英国物理学家牛顿在笛卡儿、伽利略等人工作的基础上，撰写《自然哲学的数学原理》一书，提出了动力学的一条基本定律：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。这就是牛顿第一定律，它与牛顿第二定律、牛顿第三定律构成了牛顿力学的完整体系。
1．牛顿第一定律中的“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明力与运动有什么关系？“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”说明物体具有什么性质？
2．根据牛顿第一定律思考，如果物体不受力的作用，物体将处于什么状态？
【过程建构】
1．牛顿第一定律的内容
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．对牛顿第一定律的理解
(1)明确了惯性的概念。牛顿第一定律揭示了物体具有一个重要属性——惯性，即物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。牛顿第一定律指出，一切物体在任何情况下都具有惯性，正因为如此，牛顿第一定律又叫惯性定律。
(2)意义：牛顿第一定律揭示了运动和力的关系，即力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。
【过程评价】
【例2】（多选）关于牛顿第一定律的说法，正确的是( )
A．由牛顿第一定律可知，物体在任何情况下始终处于静止状态和匀速直线运动状态
B．牛顿第一定律是依靠实验事实，直接归纳总结得出的
C．牛顿第一定律揭示了物体不受力作用时的运动规律
D．牛顿第一定律既揭示了物体保持原有运动状态的原因，又揭示了物体运动状态改变的原因
主题探索三、惯性与质量
问题情境
1．在生活中我们经常发现这样的现象，在路上奔跑的人被绊倒时总是向前倾倒，而慢走的人在滑倒时多是向后倾倒，如图所示。试分析其原因。
2．某同学设计了一个实验来探究惯性和质量的关系：一光滑斜面左侧连接一粗糙水平长木板，使一小车从斜面上无初速度滑下，然后滑上木板，最终停下，记录小车在木板上滑动的距离。再将10g、50g的砝码分别放到小车上并使小车从斜面上同一高度无初速度滑下，记录的数据如下表所示。
实验示意图 质量情况 小车滑出的距离
小车 33.00cm
小车+10g砝码 36.20cm
小车+50g砝码 38.55cm
通过以上数据可以得到什么结论？
【过程建构】
1．对惯性的理解
(1)普遍性：一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。
(2)唯一性：质量是惯性大小的唯一量度。惯性的大小只与物体的质量有关，与其他因素（如受力情况、运动情况等）无关。质量越大，惯性越大，运动状态越不易改变。
2．惯性的利用
当我们需要物体的运动状态容易改变时，应尽可能减小物体的质量；当我们需要物体的运动状态不容易改变时，应尽可能增大物体的质量。
过程评价
【例3】从惯性的角度对生活中的现象进行分析，下列解释正确的是 ( )
A．赛车的速度可以超过直升机的速度，这表明质量小的物体可以获得大的惯性
B．射出枪膛的子弹在运动一段距离后连一件棉衣也穿不透，这表明它的惯性变小了
C．火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．摩托车转弯时车手要控制适当的速度和角度，也就是调控人和车的惯性
【例4】公交车会广播提示语“车辆转弯，请抓好扶手”，这是为了避免转弯时乘客 ( )
A．向前倾倒
B．向后倾倒
C．向弯道的内侧倾倒
D．向弯道的外侧倾倒
【课堂建构】
参考答案
【认知发展·探索】
主题探索一、理想实验的魅力
【问题情境】
1．小球仍将到达原来的高度，但是运动的距离更长。小球的速度不增大也不减小，小球将做匀速直线运动。
2．如果没有摩擦，沿水平面运动的小球将永远运动下去，并不需要力来维持。以上现象说明力不是维持物体运动的原因。
3．该说法错误。伽利略的理想斜面实验反映了一种物理思想，它建立在可靠的事实基础之上，想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，从而揭示自然规律。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。
【过程评价】
[例1](1)②③①④ (2)B
主题探索二、牛顿第一定律
【问题情境】
1．“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明力是改变物体运动状态的原因。“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”说明一切物体都具有一个固有属性——惯性。
2．原来静止的物体，不受力时永远静止；原来运动的物体，不受力时将永远做匀速直线运动。即物体不受力的时候有两种状态：静止状态或匀速直线运动状态。
【过程评价】
[例2]CD 解析 物体不受力时表现为处于静止状态或匀速直线运动状态，故选项A错误，选项C正确；牛顿第一定律不是实验定律，是牛顿在伽利略等人研究的基础上，根据逻辑推理得出的，选项B错误；牛顿第一定律明确了惯性的概念，揭示了运动和力的关系，即力是改变物体运动状态的原因，选项D正确。
主题探索三、惯性与质量
【问题情境】
1．在路上奔跑的人被绊倒时，首先是人的脚由于受力而停止向前运动，而人的上半身由于惯性仍要前进，所以人总是向前倾倒；慢走的人在滑倒时，脚所受阻力突然减小，脚的速度增大，而人的上半身由于惯性仍将维持原来较小的速度，所以人将向后倾倒。
2．质量越大，小车滑出的距离越远，说明抗拒运动状态改变的能力越大，即惯性越大。
【过程评价】
[例3]C
[例4]D

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