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4.1牛顿第一定律
一、理想实验的魅力
利略认为，将人们引入歧途的是摩擦，而物体在通 常情况下运动时，摩擦又是难以避免的。 伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速 度增大；向上滚动时，速度减小。他由此猜想：当球沿水 平面滚动时，它的速度应该不增不减。然而，实际情况却 是，即使沿水平面滚动，球也会越滚越慢，最后停了下来。 伽利略认为这是摩擦作用的结果。若没有摩擦，球将永远 运动下去。
为了阐明自己的观点，伽利略设计了如图4.1-1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。如果第二个斜面倾角减小，小球仍将到达原来的高 度，但是运动的距离更长。由此可以推断，当斜面最终变 为水平面时，小球要到达原有高度将永远运动下去。这说 明，力不是维持物体运动的原因。
我们知道，阻力不可能完全消除，第二个斜面也不 可能做得无限长，所以，伽利略的实验是一个“理想实 验”。虽然这个实验无法实现，但是，伽利略在实验基 础上进一步推理的方法，帮助我们找到了解决运动和力 的关系问题的方法。
伽利略同时代的法国科学家笛卡儿也研究了这个问题。 他认为，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。他还认为，这应该成为一个原理，是人类整 自然观的基石。
1、对伽利略的理想实验的理解
(1)“理想斜面实验”揭示了力不是维持物体运动的原因，物体的运动不需要力来维持。
(2)“理想实验”是一种思维活动，是人们在抽象思维中设想出来的，而实际上无法做到的实验。
(3)理想实验是一种以可靠的事实为依据，忽略次要因素，并把实验的情况合理外推到理想状态，从而揭示自然现象本质的假想实验。所以说伽利略理想实验方法是科学的，结论是可靠的。
2、力与运动的关系
(1)亚里士多德的观点：有外力的作用时物体才能运动，要维持物体的运动就需要外力。
(2)伽利略的观点
①理想实验：小球沿光滑斜面从左侧某一高度滚下，无论右侧坡度如何，小球都会沿斜面上升到与出发点几乎等高的地方。
②结论：维持物体的运动不需要外力。
(3)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。
(4)力和运动的关系：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。
例题：(多选)下列关于伽利略的理想实验的叙述中正确的是( )
A．这个实验是凭空想象的
B．这个实验虽然是想象的，但它得出的结论是可靠的
C．理想实验是一种科学方法
D．理想实验是一个纯思维实验，其正确性应该再接受实验验证
解析：选BC 伽利略理想实验是在实验基础上假想的，A错误；伽利略的理想实验虽然是假想的，但是是在实验基础上，抓住主要因素，忽略次要因素合理推理得到的，B正确；理想实验是一种科学方法，C正确；理想实验是一种以可靠的事实为依据，忽略次要因素，并把实验的情况合理外推到理想状态，从而揭示自然现象本质的假想实验，不能用实验验证，D错误。
练习：在探究物体运动的原因时，伽利略利用两个对接的斜面，一个斜面固定，让小球从固定斜面上滚下，又滚上另一个倾角可以改变的斜面，斜面倾角逐渐改变至零，如图所示。伽利略设计这个实验的目的是为了说明(　　)
A．如果没有摩擦，小球将运动到与释放时相同的高度
B．即使没有摩擦，小球最终也一定会停下来
C．力不是维持物体运动的原因
D．如果物体不受力的作用就不会运动
解析：选C 　伽利略的理想实验证明了：力不是维持物体运动的原因，运动不需要力来维持，物体不受外力作用时，总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，A、B、D错误，C正确。
二、牛顿第一定律
在伽利略和笛卡儿工作的基础上，在隔了一代人以后， 英国科学家牛顿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（Newton’s fifirst law）。
物体这种保持原来匀速直线运动状态或静止状 态的性质叫作惯性（inertia）。牛顿第一定律也被叫作惯性 定律
牛顿第一运动定律的理解
1．提出了惯性概念
定律的前半部分内容“一切物体总保持匀速直线运动或静止状态”，揭示了所有物体普遍具有的一种属性——惯性，即物体保持匀速直线运动或静止状态，是本质属性，不需要条件。一切物体在任何情况下都具有保持匀速直线运动或静止状态的性质。因此，牛顿第一定律又叫惯性定律。
2．明确了力的作用效果
定律的后半部分内容“除非有外力迫使它改变这种状态”，说明了力的作用效果可以改变物体的运动状态。定律中明确指出力可以改变物体的运动状态。
3．揭示了力和运动的关系
牛顿第一定律指出物体不受外力时的运动规律，定律描述的只是一种理想状态，而实际中物体不受外力的作用的情况是不存在的，当物体所受到的合外力为零时，其效果跟不受外力的作用效果相同。
①力的作用效果是使物体发生形变或运动状态发生改变，而运动状态的改变就意味着物体的速度发生了改变，物体具有加速度，因此，力是使物体产生加速度的原因。
②力是改变物体运动状态的原因，因此，物体运动状态发生改变时必定受到不为零的外力作用。　　
牛顿第一定律不是“实验定律”，是通过“理想实验”推导归纳总结出来的
“经验定律”，无法用实验验证。　
例题：[多选]下列关于牛顿第一定律的理解正确的是(　　)
A．牛顿第一定律反映了物体不受外力的作用时的运动规律
B．不受外力作用时，物体一定处于静止状态
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，由于遇到障碍物而被绊倒，这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态
解析：选AD　牛顿第一定律描述的是物体不受外力作用时的状态，A正确；不受外力时，物体保持匀速直线运动状态或静止状态不变，B错误；摩擦阻力改变了木块的运动状态，从而使其停了下来，C错误；障碍物的阻碍作用改变了运动员的运动状态，D正确。
三、惯性与质量
牛顿第一定律涉及两个重要的物理概念：力和惯性。 有关力的内容我们在上一章已经有所认识，下面我们进一 步来讨论惯性。
1．惯性
由牛顿第一定律可知，只有在不为零的合外力作用下，物体的运动状态才会发生改变。这说明，任何物体都有保持原来静止或匀速直线运动状态的性质，物理学中把物体的这种性质称为惯性。因此，牛顿第一定律又被称为惯性定律。
（1）对惯性的理解
①惯性是物体保持原来运动状态的一种性质，是物体维持运动状态的原因。
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惯性大小与物体运动状态无关，与物体受力情况以及地理位置也无关。
（2）惯性的表现形式：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，除非有外力迫使它改变这种状态。
①不受外力的条件下，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态。
②在受力条件下，惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大，惯性越大，运动状态越难以改变。
（3）几个重要关系
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。惯性是维持物体运动的原因，力不是维持物体运动的原因，力是使物体发生形变或改变物体运动状态的原因
③惯性与速度的关系：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惯性与惯性定律的关系：惯性是物体保持原来的运动状态的固有属性，惯性定律是描述物体不受外力作用时表现出来的运动状态的定律
大量事例说明，不同质量的物体，惯性的大小是不一 样的。也就是说，不同物体维持其原有运动状态的“能力” 不同，质量大的物体惯性大。描述物体惯性的物理量是它 的质量（mass）。
质量只有大小，没有方向，是标量。在国际单位制中， 质量的单位是千克，符号为kg。
2、质量
例题：如图所示，冰壶在冰面上运动时受到的阻力很小，可以在较长时间内保持运动速度的大小和方向不变，我们可以说冰壶有较强的抵抗运动状态变化的“本领”。这里所指的“本领”是冰壶的惯性，则惯性的大小取决于(　　)
A．冰壶的速度 B．冰壶的质量
C．冰壶受到的推力 D.冰壶受到的阻力
解析：选B　一个物体惯性的大小与其运动状态、受力情况是没有任何关系的，衡量物体惯性大小的唯一量度是质量，故B正确。
1．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。下列说法不符合历史事实的是(　　)
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
课堂练习：
解析：选A　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、关于物体的惯性，以下说法正确的是(　　)
A．物体的运动速度越大，物体越难停下来，说明运动速度大的物体惯性大
B．汽车突然减速时，车上的人向前倾，拐弯时人会往外甩，而汽车匀速前进时，车上的人感觉平衡，说明突然减速和转弯时有惯性，匀速运动时没有惯性
C．在同样大小的力作用下，运动状态越难改变的物体，其惯性一定越大
D．在长直水平轨道上匀速运动的火车上，门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起后，发现落回原处，这是因为人跳起后，车继续向前运动，人落下后必定向后偏些，但因时间太短，偏后距离太小，不明显而已
解析：选C　物体的惯性大小由质量唯一确定，与物体的速度无关，选项A错误；一切物体均有惯性，不论物体处于加速、减速还是匀速状态，选项B错误；同样大小的力作用于物体，状态越难改变，说明物体保持原来状态的本领越大，惯性也越大，所以选项C正确；人向上跳起后，人在水平方向不受外力作用，由于惯性，人在水平方向的速度不变，与车速相同，因此仍落在车上原处，选项D错误。
3、如图所示，在一辆表面光滑的小车上，有质量分别为m1和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，设车无限长，则两个小球(　　)
A．一定相碰 B．一定不相碰
C．不一定相碰 D．难以确定
解析：选B　因为小车表面光滑，因此，不论小车如何运动，两小球在水平方向均不受力，根据牛顿第一定律可知将保持匀速运动状态，又因为两球速度相等，故两球一定不会相碰。故B正确。
4、[多选]如图所示，重球系于绳DC下端，重球下再系一根同样的绳BA，下列说法正确的是(　　)
A．在绳的A端缓慢增加拉力，结果CD绳先断
B．在绳的A端缓慢增加拉力，结果AB绳先断
C．在绳的A端突然猛一拉，结果AB绳先断
D．在绳的A端突然猛一拉，结果CD绳先断
解析：选AC　在绳的A端缓慢增加拉力，重球受力如图所示，使得重球在足够的时间发生了微小的位移，以致CD绳的拉力FT2逐渐增大，这个过程进行缓慢，可以认为重球始终处于平衡状态，即FT2＝FT1＋mg，随着FT1增大，FT2也增大，且FT2总是大于FT1，所以CD绳先被拉断，A项正确，B项错误；若在A端突然猛拉，因为重球质量很大，力的作用时间极短，由于惯性，重球向下的位移极小(可以看成运动状态未来得及改变)，以致CD绳的拉力几乎未增加，故AB绳先断，C项正确，D项错误。
5、一种汽车安全带控制装置的示意图如图所示，汽车处于静止或匀速直线运动状态时，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，汽车可能的运动方向和运动状态是(　　)
A．向左行驶，突然刹车
B．向右行驶，突然刹车
C．向左行驶，匀速直线运动
D．向右行驶，匀速直线运动
解析：选B　根据汽车安全带控制装置的原理图，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，C、D错误；当汽车向右行驶，突然刹车时，车速减小，而摆锤由于惯性仍保持原有的速度向右运动，B正确；若汽车向左行驶，突然刹车时，摆锤由于惯性应当向左摆动，故A错误。

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