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2.2 运动与相互作用（第1课时）——牛顿第一定律与惯性
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· 了解牛顿第一定律的研究过程 · 理解牛顿第一定律的内容 · 知道力和运动之间的关系 · 了解惯性的概念 · 能用惯性知识解释有关的现象 · 理解惯性是物体的固有属性 · 实验推理法：通过阻力对小车运动影响的实验，推理得出牛顿第一定律 · 控制变量法：实验中控制小车从同一位置由静止释放 · 科学推理法：在实验基础上通过推理得出理想情况下的结论 · 现象分析法：通过惯性现象分析物体的受力情况
考点精讲·内容全解
考点01 牛顿第一定律
1. 力与运动关系的探究历程
力能改变物体的运动状态。那么，物体的运动是否一定需要力来维持？力是怎样改变物体运动状态的？对于这些问题，2000多年前人们就进行了研究。亚里士多德认为，如果一个物体要持续运动，就必须有其他物体对它施加力的作用；如果这个力被撤去，物体就会停止运动。也就是说，亚里士多德认为力是维持物体运动的原因。400多年前，伽利略通过实验与推理得出，物体的运动并不需要力来维持，运动的物体之所以会停下来，是因为它受到了阻力。上述两种观点到底哪一种正确呢？下面我们通过实验来研究。
亚里士多德与伽利略对力和运动的认识
2. 探究阻力对小车运动的影响
为了研究阻力对物体运动的影响，我们进行如下探索活动。实验器材：斜面、水平木板、棉布、丝绸、小车。实验步骤：（1）在水平木板上分别铺上棉布和丝绸，让小车从斜面的顶端由静止开始滑下，观察小车在水平面上运动的距离，并将结果记录在表中。（2）水平木板上不铺任何材料，重复上述实验。实验方法：控制变量法。每次实验时，小车都要从斜面的同一位置由静止开始滑下，目的是控制小车到达水平面时的初速度相同，这样只改变水平面的粗糙程度（即阻力大小），观察阻力对小车运动距离的影响。
实验数据记录表：
水平面的材料 小车受到的阻力 小车运动的距离
棉布 大 大
丝绸 较大 较大
木板 小 小
3. 实验注意事项
（1）在实验中，可通过调节斜面的倾角来调节小车速度的大小，避免小车冲出木板。（2）实验中应由静止释放小车，让小车自由滑下，不能用手推动小车。（3）每次实验时小车都要从斜面的同一位置开始滑下，确保小车到达水平面时的初速度相同。（4）实验中要观察并记录小车在不同水平面上运动距离的变化趋势。
4. 实验结论与科学推理
实验表明：水平面越光滑，小车在水平面上运动时所受的阻力越小，运动的距离越长，速度减小得越慢。由此可以进一步推理：如果水平面绝对光滑，小车在水平面上运动时不受阻力的作用，那么它将以恒定不变的速度永远运动下去。这种以可靠的实验事实为基础，通过推理得出结论的研究方法是科学研究的重要方法。伽利略正是采用类似的方法得出结论：如果物体在运动中不受力的作用，它的速度将保持不变。
5. 伽利略与笛卡儿的观点
伽利略通过实验与推理得出：如果物体在运动中不受力的作用，它的速度将保持不变。笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，指出：如果运动物体不受到任何力的作用，它不会向左、右方向偏，将永远沿原来的方向做匀速直线运动。伽利略和笛卡儿的研究为牛顿第一定律的建立奠定了基础。
6. 牛顿第一定律的内容
牛顿总结了伽利略等人的研究成果，概括出一条重要的科学规律：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。这就是牛顿第一定律（Newton’s first law of motion）。牛顿第一定律阐明了物体不受力时的运动规律：原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持匀速直线运动。
科学家对力和运动的认识：
科学家 提出的观点
亚里士多德 如果一个物体要持续运动，就必须有其他物体对它施加力的作用；如果这个力被撤去，物体就会停止运动
伽利略 如果物体在运动中不受力的作用，它的速度将保持不变
笛卡儿 如果运动物体不受到任何力的作用，它将永远沿原来的方向做匀速直线运动
牛顿 一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态
7. 牛顿第一定律的理解要点
（1）“一切物体”表明定律对所有物体普遍适用，无论是固体、液体还是气体，无论质量大小。（2）“没有受到力的作用”包含两层意思：一是理想情况，物体没有受到任何力的作用；二是物体受到的各个力相互抵消，相当于不受力。这是定律成立的条件。（3）“总保持静止状态或匀速直线运动状态”表明物体不受力时只有这两种状态，要改变这两种状态，物体必须受到力的作用。即两种状态居其一，不能同时存在。（4）牛顿第一定律是在大量实验事实的基础上，通过归纳和推理概括出来的，不能通过实验直接验证，因为现实中不存在完全不受力的物体。
8. 牛顿第一定律的意义
牛顿第一定律是在大量实验事实的基础上，通过归纳和推理概括出来的。这种以可靠的实验事实为基础，通过推理得出结论的研究方法是科学研究的重要方法。从牛顿第一定律得出的推论，经受住了实践的检验，因此，牛顿第一定律是公认的科学基本定律之一。因为物体在不受力的作用时总保持匀速直线运动状态或静止状态，所以，要改变物体的速度大小和运动方向，必须对物体施加力的作用。由此可见，牛顿第一定律为我们深刻地揭示了力和运动之间的关系：力是改变物体运动状态的原因，而不是维持运动的原因。
9. 力与运动的关系
由牛顿第一定律可知，物体在不受力的作用时总保持匀速直线运动状态或静止状态，所以要改变物体的速度大小或运动方向，必须对物体施加力的作用。牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，即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。具体表现为三种情况：（1）小球竖直下落的运动中，小球受到竖直向下的重力作用，小球的受力方向和运动方向相同，速度越来越大。（2）小球竖直向上抛出的运动中，小球受到竖直向下的重力作用，小球的受力方向与运动方向相反，速度越来越小。（3）小球沿斜上方抛出的运动中，小球受到竖直向下的重力作用，小球的受力方向与运动方向不在一条直线上，小球做曲线运动，运动方向会发生变化。
甲 小球竖直下落，速度越来越大 乙 小球竖直上抛，速度越来越小 丙 小球斜上方抛出，运动方向改变
考点02 惯性
1. 惯性的概念
从牛顿第一定律我们可以知道，物体在不受外力作用时，原来静止的物体将一直保持其静止状态，原来运动的物体将保持其匀速直线运动状态。一切物体都有保持原有静止状态或匀速直线运动状态不变的性质，这种性质叫作惯性（inertia）。因此，牛顿第一定律也叫作惯性定律。惯性是物体本身的一种固有属性，一切物体都具有惯性。
惯性是一切物体固有的属性
2. 对惯性的认知
（1）普遍性：一切物体在任何情况下都具有惯性。无论是固体、液体还是气体，无论质量大小，无论是运动的还是静止的，无论受力还是不受力，物体都具有惯性。（2）决定因素：惯性只和物体的质量有关。物体的质量越大，惯性越大；质量越小，惯性越小。惯性大小与物体的速度、受力情况、运动状态等因素无关。（3）与力的区别：惯性是物体的一种固有属性，它不是力。力是物体对物体的作用。因此不能说“惯性作用”“惯性力”，在惯性前面加“产生”“受到”“出现”“克服”等词都是错误的。
对惯性的认知要点：
要点 内容
普遍性 一切物体在任何情况下都具有惯性。无论是固体、液体还是气体，无论质量大小，无论是运动的还是静止的，无论受力还是不受力，物体都具有惯性
决定因素 惯性只和物体的质量有关。物体的质量越大，惯性越大；质量越小，惯性越小
与力的区别 惯性是物体的一种固有属性，它不是力。不能说“惯性作用”“惯性力”，不能在惯性前面加“产生”“受到”“出现”“克服”等词
3. 惯性现象的解释
（1）小车木块实验：向右拉动小车，当小车受阻碍而停止运动时，小车上面的木块会向右倾倒。这是因为向右拉动小车使小车和木块一起向右运动，当小车突然停止运动时，小车上面的木块的上部由于惯性继续向右运动，下部受小车的阻力停止运动，所以会向右倾倒。
、
（2）卡片硬币实验：用手指弹击高脚杯上的卡片，卡片上的硬币不会跟着卡片飞出，而是落入杯中。这是因为用手指弹击卡片，卡片受力而运动，而硬币由于惯性，仍然保持原来的静止状态，所以不会跟着飞出，而是落入杯中。
、
（3）塑料瓶吹蜡烛实验：取一只2.5L的塑料瓶，让瓶口对着点燃的蜡烛烛焰，用两只手同时迅速挤压瓶身，将会看到点燃的蜡烛被吹熄灭。这是因为塑料瓶中的气体受压从瓶口急速射出，由于惯性气流继续向前运动，把点燃的蜡烛吹灭。
4. 惯性的利用与危害
生活中，人们经常会利用物体的惯性。例如，跳远运动员快速助跑后，飞身一跃，利用自身的惯性，能在空中继续前进。铁锤的锤头松了，人们在凳面上撞击锤柄下端，锤头就会紧套在锤柄上。这是因为锤柄遇到坚硬凳面而突然停止，锤头具有惯性会继续向下运动，这样锤头就牢牢地套在锤柄上了。有时，惯性也会给人们带来危害。例如，人站在公交车上，没有用手拉住扶手或吊环，当公交车突然启动或刹车时可能会发生危险。公交车突然刹车时，人因具有惯性会向前倾倒；公交车突然启动时，人因具有惯性会向后倾倒。因此，乘公交车时手要拉住车上的扶手或吊环。
跳远运动员利用惯性在空中继续前进 紧固锤头利用惯性套牢 公交车刹车时人因惯性前倾
5. 安全带的作用与土豆上爬现象
交通管理部门要求机动车驾驶人和乘坐人都必须系好安全带。当人坐在汽车上跟汽车一起运动时，人和汽车保持向前运动的状态，但是当遇到紧急情况时，汽车被制动减速，而人由于具有惯性仍然会保持向前运动的状态，所以人会离开座位，只有系上安全带后，人才会被安全带束缚住，以防发生事故。另外，将一根筷子插入土豆中，再用铁锤快速向下敲打筷子，看到土豆不往下掉，反而往上爬了。这是因为筷子被铁锤敲打，筷子向下运动，但是土豆由于惯性，保持原来的静止状态，视觉效果就感觉土豆反而往上爬了。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 惯性不是力，不能说“惯性作用”“惯性力”，也不能说“受到惯性”“产生惯性”。惯性是物体的一种固有属性，与力是两个不同的概念。 2. 惯性只与物体的质量有关，与物体的速度、受力情况、运动状态无关。跳远运动员助跑不是为了增大惯性，而是为了利用已有的惯性。 3. 牛顿第一定律不能通过实验直接验证，因为现实中不存在完全不受力的物体。定律是在大量实验事实的基础上通过科学推理概括出来的。 4. 力是改变物体运动状态的原因，而不是维持运动的原因。运动的物体之所以会停下来，是因为受到了阻力，而不是因为没有力的维持。 5. “没有受到力的作用”包括两层含义：一是理想情况下物体不受任何力；二是物体受到的各个力相互抵消，合力为零，相当于不受力。 6. 物体不受力时只有两种状态：静止或匀速直线运动，两者居其一，不能同时存在。要改变这两种状态，必须对物体施加力的作用。 7. 解释惯性现象时，要抓住“原来的运动状态”和“由于惯性保持”这两个关键点，说清哪个物体由于惯性保持了什么状态。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 如图虚线是炮弹的运行轨迹，当其运动到最高点时，若外力突然消失，则炮弹将（　　）
A. 处于静止状态
B. 向左做匀速直线运动
C. 竖直向下做匀速直线运动
D. 按原来的轨迹运动
2. 对生活中一些惯性现象的解释如下：
①水平公路上行驶的汽车关闭发动机后还能继续前进一段距离，是因为汽车具有惯性；
②跳远运动员助跑起跳，是为了增大惯性；
③小汽车配置安全气囊，可以减小惯性带来的危害。
其中说法正确的是（　　）
A. ①②　　B. ①③　　C. ②③　　D. ①②③
3. 如图所示a、b两点等高，将小球从a点由静止释放，沿光滑的曲面运动，当小球滚至右侧b点时若一切外力全部消失，它将（　　）
A. 保持静止
B. 沿曲面匀速下落
C. 沿曲面匀速上升
D. 沿水平方向向右做匀速直线运动
4. 如图所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计摩擦，小球可在A、B两点间来回摆动。当小球摆到B点时，细线恰好断开，同时假如所有力都消失，则小球将（　　）
A. 沿BD方向运动
B. 沿BE方向运动
C. 沿BC方向运动
D. 在B点保持静止
5. 牛顿第一定律建立在（　　）
A. 实验结果的基础上
B. 日常生活经验的基础上
C. 科学家猜想的基础上
D. 实验和科学推理相结合的基础上
6. 中学生喜爱的体育运动中，涉及许多物理知识，下列没有利用惯性的是（　　）
A. 滑步推铅球
B. 跳远时助跑
C. 穿钉鞋跑步
D. 远距离投篮
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 一辆汽车在公路上做匀速直线运动，关闭发动机后不会马上停下来，为什么？然后做减速运动最终停下来，为什么？请分别解释这一现象的原因。
答：________________________________________________
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________________________________________________
________________________________________________
2. 手拿一把钢尺用力击打一摞棋子中的一个，该棋子飞出，而其余的棋子仍整齐叠放，这是为什么？请用惯性知识解释这一现象。
答：________________________________________________
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________________________________________________
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参考答案
【实战演练·随堂检测】
1. 【答案】B
【解答】炮弹运动到最高点时速度向左，此时若它受到的一切外力全部消失，它将保持原来的速度向左做匀速直线运动。
2. 【答案】B
【解答】惯性只与质量有关，因此跳远运动员助跑起跳，不能增大惯性，②错误。①和③正确。
3. 【答案】A
【解答】当小球滚至右侧b点时，小球会瞬间速度为零，这时撤去所有外力，它将保持静止状态。
4. 【答案】D
【解答】由于小球被静止释放，不计摩擦，它可在A、B两点间来回摆动。当小球摆到B点时，小球速度恰好为零，此时小球所受力全部消失，据牛顿第一定律可知，此时小球将保持静止状态。
5. 【答案】D
【解答】牛顿第一定律是建立在实验和科学推理相结合的基础上的，故D正确。
6. 【答案】C
【解答】跳远时助跑、滑步推铅球、远距离投篮，都是由于惯性，使物体保持原来的运动状态，继续运动；而穿钉鞋跑步是通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦。
【巩固拓展·课后提升】
1. 【答案】
（1）关闭发动机后，汽车由于具有惯性，仍要保持原来的运动状态，所以不会马上停下来；
（2）关闭发动机后，汽车在水平方向上只受摩擦力作用，摩擦力的方向与运动的方向相反，所以汽车做减速运动最终停下来。
2. 【答案】
钢尺用力击打一摞棋子中的一个，被击打的棋子受力飞出，而其余的棋子由于惯性，保持原来的静止状态，仍然整齐叠放在原处。

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