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第四章 运动和力的关系
4.1 牛顿第一定律
运动学
第三章研究的是物体的受力
力学
第一、二章研究的是物体的运动
动力学
运动和力之间有什么关系呢？
动力学知识在生产和科学研究中很重要，设计各种机器，控制交通工具，研究天体运动等，都离不开动力学知识。
新课导入
初中我们学习了牛顿第一定律的基本内容，你能说说它揭示了物体运动遵循怎样的规律吗？滑冰运动员如果不用力，他会慢慢停下来。这是否与牛顿第一定律矛盾呢？
长期以来，在研究物体运动原因的过程中，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推它或拉它。因此，人们直觉地认为，物体的运动是与推、拉等行为相联系的，如果不再推、拉，原来运动的物体便会停止下来。根据这类经验，亚里士多德得出结论：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。
理想实验的魅力
1、斜面摩擦力对小球上升高度的影响
伽利略的理想实验分析
2、如果没有摩擦，小球将上升到原来静止时的高度
3、如果减小第二个斜面的倾角，小球的运动又会是怎样的？
小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度，但要通过更长的距离
4、如果倾角还继续减小呢？小球的运动又是怎样的？
小球达到同样的高度，但滚的越来越远
5、倾角减小到放平第二个斜面，如果第二个斜面无限长，
小球又会怎样运动？
小球不可能达到原来的高度，就要沿水平面一直运动下去。
伽利略理想实验的结论：
小球不受摩擦力，小球就要一直运动下去。
伽利略(Galileo，1564-1642)
在水平面上运动的物体所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故。
伽利略理想实验的本 质是想象着把实际中存在、 影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的本质。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。
笛卡儿(Descartes，1596-1650)
如果没有其他原因，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。
这应该成为一个原理，是人类整个自然观的基石。
伽利略理想实验
（1）理想实验是一种理想化的实验，是科学研究中的一种重要方法，在现实生活并不能实现。
（2）理想实验的结论是正确的，因为它是建立在可靠的科学事实基础上，并把实验结果合理外推到一种理想状态的科学方法。
想一想
有人认为伽利略斜面实验为理想实验，无法在实验室中验证，因此该实验仅是一种假想，不能揭示自然规律。该说法是否正确？
提示　该说法是错误的。伽利略的理想斜面实验反映了一种物理思想，它是建立在可靠的事实基础上的，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。
牛顿第一定律
牛顿分析：物体除了运动的以外，还有静止的，那么，静止的物体在没有受到外力作用时，将保持静止状态。
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。
对定律的理解：
（1）一切物体：
表明该定律对任何物体都适用。
（2）没有受外力的作用：
是该定律成立的条件。
（3）总：
一直的意思
（4）或：
指一个物体只能处于一种状态，到底处于哪种状态，由原来的状态决定，原来静止就保持静止，原来运动就保持匀速直线运动状态
需要说明的:
1.牛顿第一定律不是由实验直接得到的，它是在实验的基础上经过推理得到的
2.力是改变物体运动状态的原因它不是维持物体运动的原因
物体的运动不需要力来维持
3.不能经过实践检验，因为实际上不受力的环境是找不到的
对牛顿第一定律的理解
1．牛顿第一定律正确揭示了力和运动的关系，纠正了长期形成的“力是维持物体运动的原因”的错误观点，明确指出了力是改变物体运动状态的原因。
2．牛顿第一定律揭示了物体都有保持原来的静止或匀速直线运动状态的性质——惯性。
3．牛顿第一定律是由理想实验加以科学推理得到的，但是，由它得出的结论，都经历了广泛、严谨的事实的检验。
4．牛顿第一定律是自然界中的普遍规律，“一切物体”是指宇宙中所有物体，不论物体是固体、液体还是气体。
5．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。(物体做匀速曲线运动)
(3)速度的大小和方向同时发生改变。(物体做变速曲线运动)
(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。
(3)牛顿第一定律只适用于惯性参考系中的运动，在非惯性参考系中不适用。
特别提醒
惯性与质量
2.一切物体都具有惯性。惯性是物体的固有性质，牛顿
第一定律又叫惯性定律。
1.惯性概念: 物体有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质，这种性质叫惯性。
5. 惯性大小的意义：
物体保持原来状态“能力”的大小。惯性越大，保持原来状态“能力”越大，运动状态越难改变；惯性越小，保持原来状态的“能力”就越小，运动状态就容易改变。
3．惯性的大小
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；质量不变，惯性不变。
4．对质量的理解
(1)从物质的角度理解：质量为物体所含物质的多少。
(2)从惯性的角度理解：质量是决定物体惯性大小的唯一因素。
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。
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。
对惯性的理解及应用
1．惯性现象的“一只”“二有”“三区别”
(1)“一只”：惯性的大小只跟物体的质量有关。
(2)“二有”：惯性是一切物体固有的属性；物体在任何情况下都有惯性。
(3)“三区别”：惯性与第一定律的区别；惯性与力的区别；惯性与速度的区别。
2．惯性与力的关系
(1)惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，因此说“物体受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”等都是错误的。
(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。力越大，运动状态改变越快；惯性越大，运动状态越难改变。
(3)惯性与物体的受力情况无关。
3．惯性与速度的关系
(1)惯性与运动状态无关，不论物体是处于怎样的运动状态，惯性总是存在的，当物体静止时，它一直“想”保持这种静止状态；当物体运动时，它一直“想”以那一时刻的速度做匀速直线运动。
(2)一切物体都有惯性，和物体是否有速度及速度的大小均无关。
4．惯性的“两表现”
(1)不受外力的条件下，惯性表现出“保持” “原来的”运动状态。
(2)在受力条件下，惯性表现出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。
5．惯性与惯性定律的关系
(1)惯性不是惯性定律，惯性没有条件限制，是物体的一种固有属性。
(2)惯性定律是物体不受外力作用时物体运动所遵守的一条规律。
(1)明确要研究的是哪个物体或物体的哪一部分，它原来处于什么运动状态。
(2)确定外力作用在此物体的什么位置，物体在此位置的运动状态发生了怎样的变化。
(3)由于惯性的原因，物体上没受力的部分保持原运动状态。
(4)物体的不同部分运动状态不同，引起了惯性现象的出现。
处理惯性问题的一般方法
拓展学习
惯性参考系
在桌面上放置一张纸和一个小钢球，小钢球静止在纸面上。如果突然迅速拉动纸的一边，虽然小钢球相对桌面的位置几乎不变，但是如果只关注纸面及其上的小钢球时，你会发现小钢球相对于纸面向相反的方向运动。
当纸相对于桌面加速运动时，如果以这张纸为参考系来观察，小钢球相对于纸面的运动状态在改变。按照牛顿第一定律，小钢球的运动状态发生改变，说明小钢球在水平方向上应该受到力的作用。但实际上，小钢球只受到竖直方向的重力和支持力，水平方向几乎不受力，这不是和牛顿第一定律相矛盾吗？
若以地面为参考系，上述矛盾则不会存在。因为，在纸加速运动的过程中，尽管小钢球相对于纸面的运动状态在改变，但它相对于地面的位置并没有变化，因而仍然保持静止状态。这与用牛顿第一定律分析得到的结论是一致的。对于同一个物体的运动，为何会得到两种不同的分析结果呢？
这是由于我们观察物体的运动时所选择的参考系不同。牛顿第一定律是否成立与选择什么参考系有关。如果在一个参考系中，一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态，这样的参考系叫作惯性参考系，简称惯性系。以加速运动的纸为参考系，牛顿第一定律并不成立，这样的参考系叫作非惯性系。
学以致用
例1　关于牛顿第一定律，下列说法正确的是( )
A. 牛顿第一定律是实验定律
B. 牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因
C. 惯性定律与惯性的实质是相同的
D. 物体的运动不需要力来维持
答案：BD
解析：A. 牛顿第一定律是在实验的基础上进一步的推理概括出来的科学理论，而不是直接通过实验得出的，故A错误；
B. 由牛顿第一定律可知，当物体不受力或受平衡力时，物体将处于静止状态或匀速直线运动状态，因此力是改变物体运动状态的原因，故B正确；
C. 惯性是物体保持原来运动状态不变的性质，惯性定律（即牛顿第一定律）则反映物体在一定条件下的运动规律，故C错误；
D. 牛顿第一定律告诉我们，一切物体在没有受到外力作用下，总保持静止状态或匀速直线运动状态，故D正确。
例2　关于力和运动的关系，下列说法正确的是( )
A.物体不受力时，一定处于静止状态
B.物体运动状态改变时，一定受到力的作用
C.物体运动速度越大，其惯性一定越大
D.物体受到非平衡力作用时，其运动状态一定不变
答案：B
解析：A、物体不受力时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，故A错误；
B、力是改变物体运动状态的原因，物体运动状态改变时，一定受到力的作用，故B正确；
C、惯性大小只跟物体的质量大小有关，跟物体是否受力、是否运动、运动速度等都没有关系，故C错误；
D、物体受到非平衡力一定改变运动状态，故D错误。
故选B。
例3 下列关于惯性的说法正确的是( )
A.静止的火车启动时，速度变化慢，是因为静止的物体惯性大的缘故
B.高速运动的汽车不能很快地停下来，是因为汽车的速度越大，惯性也越大
C.乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球的惯性小
D.在宇宙飞船中的物体不存在惯性
答案：C
解析：A、质量是物体惯性大小的唯一的量度，质量越大，物体的惯性越大，与物体的运动状态无关，故A错误；
B、质量是物体惯性大小的唯一的量度，与物体的运动状态无关，故B错误；
C、乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球的质量小，惯性小，故C正确；
D、在宇宙飞船中的物体有质量，则有惯性，故D错误；
例4（2021·北京·人大附中高一期末）下列对牛顿第一定律的理解正确的是（　　）
A．地球上不存在不受力的物体，所以牛顿第一定律没有实际意义
B．不受力的物体运动状态有可能改变
C．公共汽车紧急刹车时乘客站着比坐着容易摔倒是因为站着比坐着惯性大
D．惯性是指物体有保持原来运动状态的性质，与物体的运动状态是否改变无关
【参考答案】D
例5（多选）（2022·陕西·长安一中高一期末）17世纪，意大利物理学家伽利略根据斜面实验指出：在水平面上运动的物体之所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故，你认为下列说法正确的是（　　）
A．该实验是一理想实验，是在思维中进行的，无真实的实验基础，故其结果是荒谬的
B．该实验是以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地反映自然规律
C．该实验证实了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的结论
D．该实验反映了“力是改变物体运动状态的原因”这一物理规律
【参考答案】BD
例6（2021·广东·新会陈经纶中学高一阶段练习）如图所示，一个劈形物体M，各面均光滑，放在固定的斜面上，上表面水平，在劈形物体上表面上放一光滑小球m，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（　　）
A．沿斜面向下的直线
B．竖直向下的直线
C．无规则直线
D．抛物线
【参考答案】B
例7 公安部门要求小型客车的驾驶员和前排乘客必须使用安全带。汽车安全带的作用是（ ）
A．防止惯性的产生
B．防止汽车启动时把人从后面甩出去
C．防止汽车速度突然增大时人向前“冲去”
D．急刹车时，对人体运动起到缓冲作用
【参考答案】D
例8 关于惯性，下列说法正确的是（　　）
A．公共汽车紧急刹车时乘客向前倾倒，说明其受到惯性力的作用
B．短跑运动员最后冲刺时很难立即停下来，是因为速度越大惯性越大
C．惯性的大小仅与质量有关，质量越大，惯性越大
D．把手中的球由静止释放后，球能竖直下落，是由于球具有惯性
【参考答案】C
完成课后相关练习

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