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1　牛顿第一定律
[学习目标]　1.知道亚里士多德的运动理论,知道伽利略理想实验的推理过程,知道理想实验是科学研究的重要方法。2.理解牛顿第一定律的内容和意义。3.理解惯性的概念以及影响惯性大小的因素,会用惯性解释相关的现象。
探究新知
知识点一　亚里士多德的运动理论
　亚里士多德把运动分为两大类——自然运动和受迫运动。前者是说轻的物体向上运动,重的物体向下运动,这样的运动无须外力的帮助,它自身就能实现;后者是说地面上的物体必须依靠外力的不断作用才能使它们运动起来,外力一旦消失,运动也就停止了。
知识点二　伽利略的研究工作
1.观点:在地面上所有运动物体之所以会停下来,是摩擦的缘故。
2.理想实验:如图所示,小球沿左斜面向下运动,会越来越快;随后小球沿右斜面向上运动,会越来越慢。若摩擦可以忽略不计,小球最终会到达与左斜面同样的高度。改变右斜面的坡度,坡度越小,小球要达到同样的高度经过的坡长就会越长。由此,伽利略推测,如果右斜面变成水平面,并且没有任何阻碍,小球将达不到原来的高度,就应永远运动下去。
3.结论:原来运动的物体,如果没有其他物体的作用,将会一直保持运动下去。由此,伽利略否定了亚里士多德关于运动和力的关系的错误认识。
4.笛卡尔的完善:笛卡尔指出不受其他物体作用时,原来运动的物体将会做匀速直线运动。
知识点三　牛顿第一定律　惯性
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.惯性
(1)惯性:一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。我们把物体的这种性质,叫作惯性。牛顿第一定律也称为惯性定律。
(2)量度:质量是物体惯性大小的量度。物体的质量越大,惯性越大。
新知检测
1.思考判断
(1)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。(　√　)
(2)伽利略认为,没有力作用在物体上,它就不能运动。(　×　)
(3)笛卡尔认为若没有力的作用,物体的运动状态就不会改变。(　√　)
(4)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。(　×　)
(5)质量越大的物体,惯性越大。(　√　)
(6)牛顿第一定律是实验定律。(　×　)
2.思维探究
(1)物体受到外力的作用,其运动状态是否一定改变
(2)沪杭高铁的列车最高速度可以达到每小时400多千米,是世界上跑得最快的列车之一。列车速度快了,惯性大了,刹车也困难了,这种说法正确吗
(3)运动的乒乓球很容易被“抽杀”,而运动的重型汽车却很难停下来,这是为什么
提示:(1)不一定。当物体所受合外力为零时,其运动状态就不改变。
(2)这种说法是错误的。惯性是物体的固有属性,只与物体的质量有关,列车提速后,其质量不变,惯性也不变。
(3)乒乓球的质量小,惯性小,运动状态容易改变;重型汽车的质量大,惯性大,运动状态不容易改变。
要点一　伽利略理想实验
要点归纳
1.伽利略的理想实验
(1)(实验事实)如图所示,两个斜面平滑地对接在一起,小球从一个斜面的某一高度自由滚下,在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等,伽利略分析高度的微小差别是由摩擦阻力引起的。
(2)(科学推理)若两个斜面均光滑,则小球一定会上升到原来的高度。
(3)(科学推理)若减小第二个斜面的倾角,则小球仍然会到达相同的高度,即在第二个斜面上运动的距离远。
(4)(科学推理)若将第二个斜面放平(成为水平面),那么小球从第一个斜面上滚下来之后,为达到原有高度,将以恒定的速度在无限长的水平面上永远不停地运动下去。
2.理想实验的意义
(1)理想实验是一种科学抽象,虽然它是抽象思维中设想出来的,在实验室无法验证,但它建立在可靠的事实基础上,以物理事实为依据,经过科学抽象和逻辑推理,从而深刻揭示了物理现象的本质,理想斜面实验反映了一种重要的物理思想。
(2)伽利略理想实验以可靠的实验事实为基础,经过抽象思维,抓住主要因素,忽略次要因素,从而更深刻地揭示了自然规律。伽利略的研究方法的核心是把实验和逻辑推理相结合。
[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,如图所示。下面是关于该实验被打乱的步骤:
①减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度。
②图为两个对接的斜面,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,最后使它成为水平面,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　　　　　　　(填写序号即可)。
(2)在上述的设想实验步骤中,有的属于可靠的实验事实,有的则是理想化的推论,请问步骤②属于　　　　　　　　。
【答案】 (1)②③①④　(2)可靠的实验事实
【解析】 (1)理想实验的思想方法,即在实验事实的基础上,经过合理的想象,获取结论。针对题目所述的实验步骤,正确的排列顺序是②③①④。
(2)步骤②属于可靠的实验事实。
理想实验与真实的科学实验
(1)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活动。
(2)真实的科学实验是可以实现的实验,而理想实验是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验。
[针对训练1] 关于伽利略理想实验的说法正确的是(　　)
[A]完全是理想的,没有以事实为基础,这种实验方法不可取
[B]是以可靠事实为基础的,经科学抽象,深刻反映了自然规律
[C]完全光滑的斜面是不存在的,因此伽利略理想实验没有实际意义
[D]理想实验所得到的结论是不可靠的
【答案】 B
【解析】 伽利略在研究力与运动的关系时,是在斜面实验的基础上,成功地设计了理想斜面实验,他以实际的实验为依据,抓住了客观事实的主要因素,忽略了次要因素,从而能够更深刻地揭示自然规律。因此理想实验是实际实验的延伸,而不是实际的实验,是建立在实际事实基础上的合乎逻辑的科学抽象推断,故A、C、D错误,B正确。
要点二　对牛顿第一定律的理解
情境探究
　冰壶在冰面上的运动,如果摩擦阻力比较大,冰壶很快停下来;如果摩擦阻力很小,可以忽略,冰壶将永远运动下去。
试结合上述现象讨论:
(1)运动和力有什么关系
(2)运动的物体如果不受外力的作用将处于什么状态
【答案】 (1)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。
(2)原来运动的物体不受外力时,将以原来的速度做匀速直线运动。
要点归纳
1.运动状态改变的三种情况
(1)速度的方向不变,大小改变。
(2)速度的大小不变,方向改变。
(3)速度的大小和方向都改变。
2.对牛顿第一定律的理解
[例2] (多选)下列对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
[C]在水平地面上滑动的木块最终停下来,是没有外力维持木块运动的结果
[D]奔跑的运动员,由于遇到障碍而被绊倒,这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态
【答案】 ABD
【解析】 牛顿第一定律反映了物体在不受外力作用时将保持匀速直线运动状态或静止状态,故A正确;不受外力作用时,由于惯性的作用,物体的运动状态保持不变,故B正确;水平地面上的木块最终要停下来,是因为物体受到了摩擦力的作用,故C错误;力是改变物体运动状态的原因,故物体运动状态发生改变时,一定受到了外力的作用,奔跑的运动员,由于遇到障碍而被绊倒,这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态,故D正确。
牛顿第一定律巧应用
(1)由“因”索“果”:在判断运动和力之间的关系时,一定要把握准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:应用牛顿第一定律解释有关现象时,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。
[针对训练2] 如图所示,一个劈形物体,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,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
【答案】 B
【解析】 由于劈形物体各面均光滑,所以小球在水平方向上不受力的作用,故小球在水平方向上将保持“静止”状态;小球在竖直方向上受到重力及劈形物体的支持力作用,当劈形物体从静止开始释放后,小球在碰到斜面前在竖直方向的运动状态也发生改变。故选B。
要点三　对惯性的理解及应用
情境探究
如图所示,一个玻璃杯内盛有半杯水,上面盖一块塑料板,板上放一个鸡蛋,用小木棒猛击塑料板,塑料板离杯飞出,鸡蛋却稳稳地落入杯中。如何解释这一现象
【答案】 猛击塑料板,塑料板在水平方向快速离开杯子,由于鸡蛋具有惯性,鸡蛋仍要保持原来的静止状态,但去掉塑料板后,塑料板对鸡蛋的支持力消失,鸡蛋在重力的作用下落入杯中。
要点归纳
1.惯性是物体的固有属性,一切物体都具有惯性。其大小仅由质量决定,与物体的运动状态无关,与是否受力无关,与物体的速度大小无关。
2.惯性的表现。
(1)在不受力的条件下,惯性表现为“保持”原来的运动状态。
(2)在受力的条件下,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。
[例3] 月球表面的重力加速度为地球表面的重力加速度的,同一个飞行器在月球表面与在地球表面相比较(　　)
[A]惯性减小,重力不变
[B]惯性和重力都减小为在地球表面时的
[C]惯性不变,重力减小为在地球表面时的
[D]惯性和重力都不变
【答案】 C
【解析】 物体的惯性大小仅与物体的质量有关,同一物体的质量与它所在位置及运动状态无关,所以这个飞行器从地球到月球,其惯性大小不变。这个飞行器在月球表面的重力为G月=mg月=m·g地=G地。故选项C正确。
正确理解惯性的概念
(1)惯性不是力,而是物体的固有属性,“产生了惯性”“受到了惯性力”等说法都是错误的。
(2)惯性与惯性定律二者意义不同,前者指物体性质,后者指规律。
[针对训练3] 根据《中华人民共和国道路交通安全法》第五十一条规定,机动车行驶时,驾驶人、乘坐人员应当按规定使用安全带。关于安全带,下列说法正确的是(　　)
[A]系好安全带可以减小汽车的惯性
[B]系好安全带可以减小驾驶员和乘客的惯性
[C]系好安全带可以完全避免撞击对驾驶员和乘客的伤害
[D]系好安全带对驾驶员、乘客和车的惯性都没有影响
【答案】 D
【解析】 物体的惯性只与物体的质量有关,所以系好安全带并不能减小汽车的惯性,也不能减小驾驶员和乘客的惯性,即系好安全带对驾驶员、乘客和车的惯性都没有影响,故A、B错误,D正确;系好安全带不能完全避免撞击对驾驶员和乘客造成的伤害,但可以减轻驾驶员和乘客受到的伤害,故C错误。
模型·方法·结论·拓展
理想实验模型
　　　“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,它以大量可靠的事实为基础,以真实的实验为原型,通过合理的推理得出物理规律。“理想实验”能深刻地揭示物理规律的本质,是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”。牛顿第一定律就是在伽利略“理想实验”以及笛卡尔等人的研究基础上概括总结出来的。
[示例] 理想实验是科学研究中的一种重要方法,它把可靠事实和理论思维结合起来,可以深刻地揭示自然规律。以下实验中属于理想实验的是(　　)
[A]验证力的平行四边形定则
[B]伽利略的斜面实验
[C]用打点计时器测物体的加速度
[D]利用自由落体运动测定反应时间
【答案】 B
【解析】 验证力的平行四边形定则的实验是利用了等效替代法的实际实验,故A错误;伽利略的斜面实验以可靠的事实为基础,通过合理的推理得出物理规律,从而更深刻地反映了自然规律,属于理想实验,故B正确;用打点计时器测物体的加速度是实际实验,故C错误;利用自由落体运动测定反应时间是实际进行的实验,不是理想实验,故D错误。
科学·技术·社会·环境
惯性的应用——怎样辨别生蛋和熟蛋
　　　假如不敲碎蛋壳,如何判断一个蛋是生的还是熟的 关键在于生蛋和熟蛋的旋转情形不一样,通过这一点就可以解决我们的问题。把要判别的蛋放到一个平底盘上,用两根手指使它旋转。这个蛋如果是熟的,那么它旋转起来就会比生蛋快得多,而且转的时间久。产生这个现象的原因是熟蛋已经变成一个实心的整体,而生蛋中的蛋清和蛋黄都为液体,当蛋壳旋转时,由于惯性,蛋清和蛋黄对蛋壳的旋转造成阻碍,蛋清和蛋黄在这里起着“刹车”的作用。生蛋和熟蛋在旋转停止的时候情形也不一样。一个旋转着的熟蛋,只要用手一捏,就会立刻停止下来;生蛋虽然在手碰到的时候停止了,但是如果立刻把手放开,它还要继续略微转动。由于惯性,生蛋的蛋壳虽然停止了转动,内部的蛋清和蛋黄却仍旧在继续旋转;至于熟蛋,它里面的蛋清和蛋黄是跟外面的蛋壳同时停止的。
在实际生活中,当利用物体的惯性时,可增大物体的质量;当需要减小惯性的影响时,可减小物体的质量;当需要惯性改变时,可使物体质量分布发生改变。对于惯性确定的物体,利用其惯性时可增大物体的初始运动状态;避免惯性影响时可延缓运动过程。
[示例] 汽车上配有安全带和头枕,司机和乘客都必须系好安全带。当向前行驶的汽车分别出现突然加速、紧急刹车两种状况时,对乘车人员起主要保护作用的分别是(　　)
[A]头枕、头枕 [B]安全带、安全带
[C]安全带、头枕 [D]头枕、安全带
【答案】 D
【解析】 当向前行驶的汽车突然加速时,汽车速度变大,人的头部会向后仰,对乘车人员起主要保护作用的是头枕;紧急刹车时,人由于惯性要保持原来较快速度的运动状态,容易撞到前面的物体。对乘车人员起主要保护作用的是安全带。
1.(多选)伽利略理想斜面实验创造性地把实验、假设和逻辑推理相结合,有力地促进了人类科学认识的发展。关于伽利略的斜面实验,下列说法正确的是(　　)
[A]该实验虽然是理想实验,是在思维中进行的,但仍以真实的实验为基础
[B]如果斜面粗糙,不论右侧斜面倾角如何,小球也将上升到与释放点等高的位置
[C]该实验说明了物体的运动不需要力来维持
[D]该实验证明了力是维持物体运动的原因
【答案】 AC
【解析】 该实验虽然是理想实验,是在思维中进行的,但同时是以真实的斜面实验为基础,故A正确;如果斜面粗糙,小球将不能上升到与释放点等高的位置,故B错误;该实验说明了物体的运动不需要力来维持,故C正确,D错误。
2.下列对惯性、惯性定律(牛顿第一定律)的理解正确的是(　　)
[A]牛顿第一定律是通过了实验验证的定律
[B]汽车转弯后运动方向发生了改变,其惯性也将随之改变
[C]牛顿第一定律表明,物体只有在静止或做匀速直线运动时才具有惯性
[D]一个质量小的皮球,你可以轻易踢走它,而一个质量大的铅球,你很难轻易踢开它,表明质量大的物体惯性大
【答案】 D
【解析】 牛顿第一定律是在实验的基础上,加以科学的推理得到的,是理想实验,不能用实验验证,故A错误;一切物体都有惯性,惯性是物体的固有属性,只与物体的质量有关,质量越大,惯性越大,与运动状态无关,故B、C错误,D正确。
3.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]不一定相碰
[C]一定不相碰
[D]无法确定
【答案】 C
【解析】 因小车表面光滑,小球在水平方向上没有受到外力作用,原来两球与小车有相同的速度,当车突然停止时,由于惯性,两小球的速度不变保持匀速运动,所以不会相碰。
故选C。
4.静止在水平地面上的密闭装置内部如图甲所示,装置内部固定着一根竖直的杆,杆顶有一小球,忽略杆和球间的摩擦,由于装置开始沿某一水平方向做直线运动,小球从杆上落下,刚离开杆时的俯视图如图乙所示,请由此判断装置是向哪个方向运动(　　)
[A]东 [B]南 [C]西 [D]北
【答案】 B
【解析】 忽略杆和球间的摩擦,装置开始沿某一水平方向做直线运动时,小球由于惯性仍要保持原来的静止状态,因此小球会相对于装置向装置运动的相反方向运动;从题图乙的俯视图可知,小球相对于装置向北运动,则说明装置是向南运动的,故B正确,A、C、D错误。
课时作业
(分值:40分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
1.(多选)近四百年前,伽利略用实验和推理,推翻了在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动的理论,开启了物理学发展的新纪元。下列说法与伽利略观点相悖的是(　　)
[A]一个物体维持匀速直线运动,不需要受力
[B]两物体从同一高度自由下落,较重的物体下落较快
[C]四匹马拉的车比两匹马拉的车加速快,这说明物体受的力越大,速度就越大
[D]一个运动的物体,如果不再受拉力了,它总会逐渐停下来,这说明静止状态才是物体长时间不受力时的“自然状态”
【答案】 BCD
【解析】 伽利略通过实验和推理,得到的观点为一个物体维持匀速直线运动,不需要受力,该说法与伽利略的观点相同,故A不符合题意;通过实验和推理,伽利略认为在忽略空气阻力时,两物体从同一高度自由下落,较重的物体与较轻的物体下落快慢相同,选项中的观点与伽利略观点相悖,故B符合题意;伽利略认为物体的运动不需要力来维持,即力与速度大小没有本质关系,四匹马拉的车比两匹马拉的车加速快,只能够说明物体受的力越大,物体速度变化越快,选项中的观点与伽利略观点相悖,故C符合题意;伽利略认为力不是维持物体运动的原因,一个运动的物体,如果不再受拉力了,它总会逐渐停下来,这是由于物体受到阻力,并不说明静止状态是物体长时间不受力时的“自然状态”,选项中的观点与伽利略观点相悖,故D符合题意。
2.(多选)以下生活现象关于惯性理解正确的是(　　)
[A]拍打衣服上的灰尘,是利用了惯性
[B]跳远时我们要助跑,助跑速度越大,惯性越大
[C]坐车时我们要系安全带,是为了减小惯性
[D]电动自行车与大货车在等红绿灯时,电动自行车容易启动,是因为其质量小,惯性小
【答案】 AD
【解析】 拍打衣服上的灰尘,是利用了惯性,故A正确;质量是惯性的唯一量度,所以惯性大小与速度无关,助跑速度越大,惯性不变,故B错误;坐车时我们要系安全带,是为了减小惯性带来的危害而不是减小惯性,故C错误;电动自行车与大货车在等红绿灯时,电动自行车容易启动,是因为其质量小,惯性小,故D正确。
3.(多选)如图所示,航天员在天宫二号中进行太空授课时演示了旋转的小扳手,下列关于惯性的说法正确的是(　　)
[A]小扳手漂浮不动时没有惯性
[B]小扳手的惯性比航天员的惯性小
[C]小扳手从地面移到空间站惯性不变
[D]惯性是改变物体运动状态的原因
【答案】 BC
【解析】 小扳手漂浮不动时,仍存在质量,仍有惯性,故A错误;由于小扳手的质量小于航天员的质量,则小扳手的惯性比航天员的惯性小,故B正确;小扳手从地面移到空间站,质量不变,则惯性不变,故C正确;惯性是保持物体运动状态的原因,而力是改变物体运动状态的原因,故D错误。
4.对一些生活中的现象,某同学试图从惯性角度加以分析。其中正确的是(　　)
[A]“强弩之末,势不能穿鲁缟”是因为强弩的惯性减小了
[B]汽车超速行驶易引发交通事故,是因为速度大的汽车惯性大
[C]货运列车在有些车站加挂车厢,这会增大它的惯性
[D]车辆转弯时适当减速,是为了减小车辆的惯性,使行驶更安全
【答案】 C
【解析】 质量是物体惯性大小的唯一量度,质量大的物体惯性大,惯性与物体的速度大小无关。“强弩之末,势不能穿鲁缟”是因为速度减小了,而惯性并没有改变,A错误;汽车超速行驶易引发交通事故,是因为速度太大了,而汽车惯性并没有增大,B错误;货运列车加挂车厢后,质量增加,因此它的惯性增大,C正确;车辆转弯时适当减速,并没有减小车辆的惯性,D错误。
5.如图所示为高速照相机连拍的自行车极限运动中某运动员在空中的情形,P为该运动员运动的最高点。关于这个现象下列说法正确的是(　　)
[A]运动员能在空中运动一段距离,是靠空气推力维持的
[B]运动员在空中运动的过程中,其惯性先变小后变大
[C]运动员做曲线运动说明力是改变物体运动状态的原因
[D]若运动到P点时所有外力都消失,则立即沿PA方向竖直下落
【答案】 C
【解析】 运动员能在空中运动一段距离,是由于惯性,故A错误;惯性的大小只与物体质量有关,与物体运动的速度无关,运动员在空中运动的过程中,其惯性不变,故B错误;运动员做曲线运动时弯曲的方向与运动员受到的重力的方向是相同的,这说明力是改变物体运动状态的原因,故C正确;当他运动到P点时,如果所有的外力都消失,根据牛顿第一定律可知,他会在空中继续沿原来的方向运动,即沿PB方向做匀速直线运动,故D错误。
6.(多选)如图所示,甲、乙两货车内部用细线悬挂一个小球,在行驶过程中发现小球的细线摆角不同,下列关于货车运动情况的描述,正确的是(　　)
[A]甲车在前行中减速
[B]甲车在做匀速直线运动
[C]乙车在前进中刹车
[D]乙车在加速前进
【答案】 AD
【解析】 甲车中球向前摆,说明汽车在减速,球由于惯性才会向前摆,故A正确,B错误;乙车中球向后摆,说明汽车在加速,球由于惯性才会向后摆,故C错误,D正确。
7.我国高铁技术全球领先,高铁使人们出行更加便捷,速度快,安全性高。某同学在高铁上发现列车启动过程中,杯中水面的形状是下列选项中的(　　)
[A]　　　　　 [B]
[C]　　　　　 [D]
【答案】 C
【解析】 列车启动过程中,速度增大,即杯子的速度增大,而杯子中的水由于惯性仍要保持原来的静止状态,因此水相对杯子向后运动,故选C。
8.如图所示,一只氦气球用细线固定在车厢内,小车匀速向右行驶时细线竖直,当小车急速刹车时氦气球将(　　)
[A]向左偏 [B]向右偏
[C]保持竖直 [D]无法判断
【答案】 A
【解析】 当小车急刹车时,空气和氦气球都会因为惯性而向右运动。但是相同体积下,空气的质量大于氦气的质量,所以此时空气的惯性比氦气的惯性大,即空气会挤到氦气球的右侧,故氦气球会向左偏。(共54张PPT)
1　牛顿第一定律
第四章　牛顿运动定律
[学习目标]　
1.知道亚里士多德的运动理论,知道伽利略理想实验的推理过程,知道理想实验是科学研究的重要方法。2.理解牛顿第一定律的内容和意义。3.理解惯性的概念以及影响惯性大小的因素,会用惯性解释相关的现象。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　亚里士多德的运动理论
亚里士多德把运动分为两大类—— 运动和 运动。前者是说轻的物体向上运动,重的物体向下运动,这样的运动无须外力的帮助,它
就能实现;后者是说地面上的物体必须依靠外力的 才能使它们运动起来,外力一旦消失,运动也就 了。
自然
受迫
自身
不断作用
停止
知识点二　伽利略的研究工作
1.观点:在地面上所有运动物体之所以会停下来,是 的缘故。
2.理想实验:如图所示,小球沿左斜面向下运动,会越来越 ;随后小球沿右斜面向上运动,会越来越 。若摩擦可以忽略不计,小球最终会到达与左斜面 的高度。改变右斜面的坡度,坡度越小,小球要达到同样的高度经过的坡长就会越 。由此,伽利略推测,如果右斜面变成水平面,并且没有任何阻碍,小球将达不到原来的高度,就应 。
摩擦
快
慢
同样
长
永远运动下去
3.结论:原来运动的物体,如果没有其他物体的作用,将会一直 下去。由此,伽利略否定了亚里士多德关于运动和力的关系的错误认识。
4.笛卡尔的完善:笛卡尔指出不受其他物体作用时,原来运动的物体将会做
。
保持运动
匀速直线运动
知识点三　牛顿第一定律　惯性
1.内容:一切物体总保持 状态或静止状态,直到有 迫使它改变这种状态为止。
2.惯性
(1)惯性:一切物体都有保持 状态或 状态的性质。我们把物体的这种性质,叫作惯性。牛顿第一定律也称为 定律。
(2)量度: 是物体惯性大小的量度。物体的质量越大,惯性越 。
匀速直线运动
外力
匀速直线运动
静止
惯性
质量
大
「新知检测」
1.思考判断
(1)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。(　 　)
(2)伽利略认为,没有力作用在物体上,它就不能运动。(　 　)
(3)笛卡尔认为若没有力的作用,物体的运动状态就不会改变。(　 　)
(4)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。(　 　)
(5)质量越大的物体,惯性越大。(　 　)
(6)牛顿第一定律是实验定律。(　 　)
√
×
√
×
√
×
2.思维探究
(1)物体受到外力的作用,其运动状态是否一定改变
提示:(1)不一定。当物体所受合外力为零时,其运动状态就不改变。
(2)沪杭高铁的列车最高速度可以达到每小时400多千米,是世界上跑得最快的列车之一。列车速度快了,惯性大了,刹车也困难了,这种说法正确吗
提示:(2)这种说法是错误的。惯性是物体的固有属性,只与物体的质量有关,列车提速后,其质量不变,惯性也不变。
(3)运动的乒乓球很容易被“抽杀”,而运动的重型汽车却很难停下来,这是为什么
提示:(3)乒乓球的质量小,惯性小,运动状态容易改变;重型汽车的质量大,惯性大,运动状态不容易改变。
突破·关键能力
要点一　伽利略理想实验
「要点归纳」
1.伽利略的理想实验
(1)(实验事实)如图所示,两个斜面平滑地对接在一起,小球从一个斜面的某一高度自由滚下,在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等,伽利略分析高度的微小差别是由摩擦阻力引起的。
(2)(科学推理)若两个斜面均光滑,则小球一定会上升到原来的高度。
(3)(科学推理)若减小第二个斜面的倾角,则小球仍然会到达相同的高度,即在第二个斜面上运动的距离远。
(4)(科学推理)若将第二个斜面放平(成为水平面),那么小球从第一个斜面上滚下来之后,为达到原有高度,将以恒定的速度在无限长的水平面上永远不停地运动下去。
2.理想实验的意义
(1)理想实验是一种科学抽象,虽然它是抽象思维中设想出来的,在实验室无法验证,但它建立在可靠的事实基础上,以物理事实为依据,经过科学抽象和逻辑推理,从而深刻揭示了物理现象的本质,理想斜面实验反映了一种重要的物理思想。
(2)伽利略理想实验以可靠的实验事实为基础,经过抽象思维,抓住主要因素,忽略次要因素,从而更深刻地揭示了自然规律。伽利略的研究方法的核心是把实验和逻辑推理相结合。
[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,如图所示。下面是关于该实验被打乱的步骤:
①减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度。
②图为两个对接的斜面,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,最后使它成为水平面,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　　　　　　　(填写序号即可)。
【解析】 (1)理想实验的思想方法,即在实验事实的基础上,经过合理的想象,获取结论。针对题目所述的实验步骤,正确的排列顺序是②③①④。
②③①④　
(2)在上述的设想实验步骤中,有的属于可靠的实验事实,有的则是理想化的推论,请问步骤②属于　　　　　　　　。
【解析】 (2)步骤②属于可靠的实验事实。
可靠的实验事实
理想实验与真实的科学实验
(1)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活动。
(2)真实的科学实验是可以实现的实验,而理想实验是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验。
·规律方法·
[针对训练1] 关于伽利略理想实验的说法正确的是(　　)
[A]完全是理想的,没有以事实为基础,这种实验方法不可取
[B]是以可靠事实为基础的,经科学抽象,深刻反映了自然规律
[C]完全光滑的斜面是不存在的,因此伽利略理想实验没有实际意义
[D]理想实验所得到的结论是不可靠的
B
【解析】 伽利略在研究力与运动的关系时,是在斜面实验的基础上,成功地设计了理想斜面实验,他以实际的实验为依据,抓住了客观事实的主要因素,忽略了次要因素,从而能够更深刻地揭示自然规律。因此理想实验是实际实验的延伸,而不是实际的实验,是建立在实际事实基础上的合乎逻辑的科学抽象推断,故A、C、D错误,B正确。
要点二　对牛顿第一定律的理解
「情境探究」
冰壶在冰面上的运动,如果摩擦阻力比较大,冰壶很快停下来;如果摩擦阻力很小,可以忽略,冰壶将永远运动下去。
试结合上述现象讨论:
(1)运动和力有什么关系
【答案】 (1)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。
(2)运动的物体如果不受外力的作用将处于什么状态
【答案】 (2)原来运动的物体不受外力时,将以原来的速度做匀速直线运动。
「要点归纳」
1.运动状态改变的三种情况
(1)速度的方向不变,大小改变。
(2)速度的大小不变,方向改变。
(3)速度的大小和方向都改变。
2.对牛顿第一定律的理解
[例2] (多选)下列对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
[C]在水平地面上滑动的木块最终停下来,是没有外力维持木块运动的结果
[D]奔跑的运动员,由于遇到障碍而被绊倒,这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态
ABD
【解析】 牛顿第一定律反映了物体在不受外力作用时将保持匀速直线运动状态或静止状态,故A正确;不受外力作用时,由于惯性的作用,物体的运动状态保持不变,故B正确;水平地面上的木块最终要停下来,是因为物体受到了摩擦力的作用,故C错误;力是改变物体运动状态的原因,故物体运动状态发生改变时,一定受到了外力的作用,奔跑的运动员,由于遇到障碍而被绊倒,这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态,故D正确。
牛顿第一定律巧应用
(1)由“因”索“果”:在判断运动和力之间的关系时,一定要把握准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:应用牛顿第一定律解释有关现象时,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。
·规律方法·
[针对训练2] 如图所示,一个劈形物体,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,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
B
【解析】 由于劈形物体各面均光滑,所以小球在水平方向上不受力的作用,故小球在水平方向上将保持“静止”状态;小球在竖直方向上受到重力及劈形物体的支持力作用,当劈形物体从静止开始释放后,小球在碰到斜面前在竖直方向的运动状态也发生改变。故选B。
要点三　对惯性的理解及应用
如图所示,一个玻璃杯内盛有半杯水,上面盖一块塑料板,板上放一个鸡蛋,用小木棒猛击塑料板,塑料板离杯飞出,鸡蛋却稳稳地落入杯中。如何解释这一现象
「情境探究」
【答案】 猛击塑料板,塑料板在水平方向快速离开杯子,由于鸡蛋具有惯性,鸡蛋仍要保持原来的静止状态,但去掉塑料板后,塑料板对鸡蛋的支持力消失,鸡蛋在重力的作用下落入杯中。
「要点归纳」
1.惯性是物体的固有属性,一切物体都具有惯性。其大小仅由质量决定,与物体的运动状态无关,与是否受力无关,与物体的速度大小无关。
2.惯性的表现。
(1)在不受力的条件下,惯性表现为“保持”原来的运动状态。
(2)在受力的条件下,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。
C
·规律方法·
正确理解惯性的概念
(1)惯性不是力,而是物体的固有属性,“产生了惯性”“受到了惯性力”等说法都是错误的。
(2)惯性与惯性定律二者意义不同,前者指物体性质,后者指规律。
[针对训练3] 根据《中华人民共和国道路交通安全法》第五十一条规定,机动车行驶时,驾驶人、乘坐人员应当按规定使用安全带。关于安全带,下列说法正确的是(　　)
[A]系好安全带可以减小汽车的惯性
[B]系好安全带可以减小驾驶员和乘客的惯性
[C]系好安全带可以完全避免撞击对驾驶员和乘客的伤害
[D]系好安全带对驾驶员、乘客和车的惯性都没有影响
D
【解析】 物体的惯性只与物体的质量有关,所以系好安全带并不能减小汽车的惯性,也不能减小驾驶员和乘客的惯性,即系好安全带对驾驶员、乘客和车的惯性都没有影响,故A、B错误,D正确;系好安全带不能完全避免撞击对驾驶员和乘客造成的伤害,但可以减轻驾驶员和乘客受到的伤害,故C错误。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
理想实验模型
“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,它以大量可靠的事实为基础,以真实的实验为原型,通过合理的推理得出物理规律。“理想实验”能深刻地揭示物理规律的本质,是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”。牛顿第一定律就是在伽利略“理想实验”以及笛卡尔等人的研究基础上概括总结出来的。
[示例] 理想实验是科学研究中的一种重要方法,它把可靠事实和理论思维结合起来,可以深刻地揭示自然规律。以下实验中属于理想实验的是(　　)
[A]验证力的平行四边形定则
[B]伽利略的斜面实验
[C]用打点计时器测物体的加速度
[D]利用自由落体运动测定反应时间
B
【解析】 验证力的平行四边形定则的实验是利用了等效替代法的实际实验,故A错误;伽利略的斜面实验以可靠的事实为基础,通过合理的推理得出物理规律,从而更深刻地反映了自然规律,属于理想实验,故B正确;用打点计时器测物体的加速度是实际实验,故C错误;利用自由落体运动测定反应时间是实际进行的实验,不是理想实验,故D错误。
「科学·技术·社会·环境」
惯性的应用——怎样辨别生蛋和熟蛋
假如不敲碎蛋壳,如何判断一个蛋是生的还是熟的 关键在于生蛋和熟蛋的旋转情形不一样,通过这一点就可以解决我们的问题。把要判别的蛋放到一个平底盘上,用两根手指使它旋转。这个蛋如果是熟的,那么它旋转起来就会比生蛋快得多,而且转的时间久。产生这个现象的原因是熟蛋已经变成一个实心的整体,而生蛋中的蛋清和蛋黄都为液体,当蛋壳旋转时,由于惯性,蛋清和蛋黄对蛋壳的旋转造成阻碍,蛋清和蛋黄在这里起着“刹车”的作用。生蛋和熟蛋在旋转停止的时候情形也不一样。一个旋转着的熟蛋,只要用手一捏,就会立刻停止下来;生蛋虽然在手碰到的时候停止了,但是如果立刻把手放开,它还要继续略微转动。由于惯性,生蛋的蛋壳虽然停止了转动,内部的蛋清和蛋黄却仍旧在继续旋转;至于熟蛋,它里面的蛋清和蛋黄是跟外面的蛋壳同时停止的。
在实际生活中,当利用物体的惯性时,可增大物体的质量;当需要减小惯性的影响时,可减小物体的质量;当需要惯性改变时,可使物体质量分布发生改变。对于惯性确定的物体,利用其惯性时可增大物体的初始运动状态;避免惯性影响时可延缓运动过程。
[示例] 汽车上配有安全带和头枕,司机和乘客都必须系好安全带。当向前行驶的汽车分别出现突然加速、紧急刹车两种状况时,对乘车人员起主要保护作用的分别是(　　)
[A]头枕、头枕
[B]安全带、安全带
[C]安全带、头枕
[D]头枕、安全带
D
【解析】 当向前行驶的汽车突然加速时,汽车速度变大,人的头部会向后仰,对乘车人员起主要保护作用的是头枕;紧急刹车时,人由于惯性要保持原来较快速度的运动状态,容易撞到前面的物体。对乘车人员起主要保护作用的是安全带。
检测·学习效果
1.(多选)伽利略理想斜面实验创造性地把实验、假设和逻辑推理相结合,有力地促进了人类科学认识的发展。关于伽利略的斜面实验,下列说法正确的是(　 　)
[A]该实验虽然是理想实验,是在思维中进行的,但仍以真实的实验为基础
[B]如果斜面粗糙,不论右侧斜面倾角如何,小球也将上升到与释放点等高的位置
[C]该实验说明了物体的运动不需要力来维持
[D]该实验证明了力是维持物体运动的原因
AC
【解析】 该实验虽然是理想实验,是在思维中进行的,但同时是以真实的斜面实验为基础,故A正确;如果斜面粗糙,小球将不能上升到与释放点等高的位置,故B错误;该实验说明了物体的运动不需要力来维持,故C正确,D错误。
2.下列对惯性、惯性定律(牛顿第一定律)的理解正确的是(　　)
[A]牛顿第一定律是通过了实验验证的定律
[B]汽车转弯后运动方向发生了改变,其惯性也将随之改变
[C]牛顿第一定律表明,物体只有在静止或做匀速直线运动时才具有惯性
[D]一个质量小的皮球,你可以轻易踢走它,而一个质量大的铅球,你很难轻易踢开它,表明质量大的物体惯性大
D
【解析】 牛顿第一定律是在实验的基础上,加以科学的推理得到的,是理想实验,不能用实验验证,故A错误;一切物体都有惯性,惯性是物体的固有属性,只与物体的质量有关,质量越大,惯性越大,与运动状态无关,故B、C错误,D正确。
3.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]不一定相碰
[C]一定不相碰
[D]无法确定
C
【解析】 因小车表面光滑,小球在水平方向上没有受到外力作用,原来两球与小车有相同的速度,当车突然停止时,由于惯性,两小球的速度不变保持匀速运动,所以不会相碰。故选C。
4.静止在水平地面上的密闭装置内部如图甲所示,装置内部固定着一根竖直的杆,杆顶有一小球,忽略杆和球间的摩擦,由于装置开始沿某一水平方向做直线运动,小球从杆上落下,刚离开杆时的俯视图如图乙所示,请由此判断装置是向哪个方向运动(　　)
[A]东 [B]南 [C]西 [D]北
B
【解析】 忽略杆和球间的摩擦,装置开始沿某一水平方向做直线运动时,小球由于惯性仍要保持原来的静止状态,因此小球会相对于装置向装置运动的相反方向运动;从题图乙的俯视图可知,小球相对于装置向北运动,则说明装置是向南运动的,故B正确,A、C、D错误。
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