第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系情境導(dǎo)入力和運(yùn)動(dòng)無處不在、無時(shí)不有。用不同的力推同一輛小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是不同的，當(dāng)撤去推力后，小車會(huì)慢慢停下來。在太空中飛行的航天飛行器沒有推力也可保持高速飛行……力與運(yùn)動(dòng)之間究竟有什么關(guān)系？本章將探究這個(gè)問題。1．牛頓第一定律課程標(biāo)準(zhǔn)1．能準(zhǔn)確敘述牛頓第一定律的內(nèi)容，并能對(duì)該定律所揭示的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問題有較深刻的理解。2．了解伽利略關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的認(rèn)識(shí)。3．通過實(shí)例說明質(zhì)量是物體慣性大小的量度。素養(yǎng)目標(biāo)物理觀念1.明確慣性概念。2．知道牛頓第一定律的內(nèi)容。科學(xué)思維理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系科學(xué)探究知道伽利略理想實(shí)驗(yàn)及推理方法科學(xué)態(tài)度與責(zé)任會(huì)用慣性知識(shí)解釋有關(guān)現(xiàn)象知識(shí)點(diǎn)1理想實(shí)驗(yàn)的魅力1．力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的不同認(rèn)識(shí)代表人物主要觀點(diǎn)亞里士多德必須有力作用在物體上，物體才能_運(yùn)動(dòng)__；沒有力的作用，物體就要_靜止__伽利略力不是_維持__物體運(yùn)動(dòng)的原因笛卡兒如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒有受到_力的作用__，它將繼續(xù)以同一_速度__沿同一_直線__運(yùn)動(dòng)，既不停下來也不偏離原來的_方向__2．伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)(1)理想實(shí)驗(yàn)：讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始向下運(yùn)動(dòng)，再讓小球沖上第二個(gè)斜面，如果沒有摩擦，無論第二個(gè)斜面的傾角如何，小球達(dá)到的高度_相同__。若將第二個(gè)斜面放平，_小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去__。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：力不是_維持物體運(yùn)動(dòng)的原因__。『微訓(xùn)練』1．根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容，判斷下列說法正誤：(1)伽利略的理想實(shí)驗(yàn)是不科學(xué)的假想實(shí)驗(yàn)。(×)(2)笛卡兒認(rèn)為若沒有力作用，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就不會(huì)改變。(√)(3)伽利略認(rèn)為，沒有力作用在物體上，它就不能運(yùn)動(dòng)。(×)2．(2023·廣西欽州高一?？计谀?下面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有發(fā)生變化的物體是(B)A．勻速拐彎的汽車B．勻速豎直下落的雪花C．繞地球勻速飛行的人造衛(wèi)星D．從車站由靜止開出的火車解析：勻速拐彎時(shí)，速度方向變化，故運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，故A錯(cuò)誤；勻速下降的雪花，速度沒有發(fā)生變化，所以運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有發(fā)生變化，故B正確；環(huán)繞地球的人造衛(wèi)星，速度方向時(shí)刻在變，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，故C錯(cuò)誤；從車站由靜止開出的火車，速度大小在變，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，故D錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)2牛頓第一定律1．內(nèi)容：一切物體總保持_勻速直線運(yùn)動(dòng)__狀態(tài)或_靜止__狀態(tài)，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)。2．力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系：力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而是_改變__物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。知識(shí)點(diǎn)3慣性與質(zhì)量1．慣性：物體具有保持原來_勻速直線運(yùn)動(dòng)__狀態(tài)或_靜止__狀態(tài)的性質(zhì)叫作慣性。2．慣性的量度：_質(zhì)量__是物體慣性大小的唯一量度?！何⒂?xùn)練』1．根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容，判斷下列說法正誤：(1)速度越大的物體，慣性越大。(×)(2)力無法改變物體的慣性。(√)(3)牛頓認(rèn)為力的真實(shí)效應(yīng)總是改變物體的速度，而不是使物體運(yùn)動(dòng)。(√)2．下列有關(guān)慣性的說法中正確的是(C)A．速度越大，物體的慣性也越大B．受力越大，物體的慣性也越大C．質(zhì)量越大，物體的慣性也越大D．物體的慣性與速度、受力和質(zhì)量均有關(guān)系解析：物體的慣性大小只跟物體的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，慣性越大，與物體的速度，合外力均無關(guān)。故選C。探究一對(duì)牛頓第一定律的理解要點(diǎn)提煉1.對(duì)牛頓第一定律的理解(1)明確了慣性的概念牛頓第一定律的前半句話“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”，表明了物體所具有的一個(gè)重要的屬性——慣性，即物體保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，牛頓第一定律指出一切物體在任何情況下都具有慣性。因此牛頓第一定律又叫慣性定律。(2)揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系牛頓第一定律的后半句話“除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”，實(shí)質(zhì)上是揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。(3)反映了物體不受外力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止(即原來運(yùn)動(dòng)的保持其速度不變，原來靜止的保持位置不變)。不受外力作用的物體是不存在的，但物體所受外力的合力為零與不受外力在效果上是等效的，這就使牛頓第一定律具有了實(shí)際意義。2．運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的三種情況(1)速度的方向不變，只有大小改變。(物體做直線運(yùn)動(dòng))(2)速度的大小不變，只有方向改變。(物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng))(3)速度的大小和方向同時(shí)發(fā)生改變。(物體做變速曲線運(yùn)動(dòng))(1)牛頓第一定律所描述的是物體不受外力作用時(shí)的狀態(tài)，與物體所受合外力為零是等效的。(2)牛頓第一定律不是實(shí)驗(yàn)定律，它是在理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)得出的。(3)牛頓第一定律只適用于慣性參考系中的運(yùn)動(dòng)，在非慣性參考系中不適用。典例剖析典題1(多選)下列關(guān)于牛頓第一定律的說法中正確的是(AD)A．物體保持靜止?fàn)顟B(tài)，它所受合外力一定為零B．物體所受合外力為零時(shí)，它一定處于靜止?fàn)顟B(tài)C．物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它所受的合外力可能是零，也可能不是零D．物體所受合外力為零時(shí)，它可能做勻速直線運(yùn)動(dòng)解析：物體保持靜止?fàn)顟B(tài)，它所受合外力一定為零，故A正確；物體所受合外力為零時(shí)，它可能處于靜止?fàn)顟B(tài)或者處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故B錯(cuò)誤，D正確；物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它所受的合外力一定為零，故C錯(cuò)誤。思維升華：牛頓第一定律巧應(yīng)用(1)由“因”索“果”：在判斷力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系時(shí)，一定要把握準(zhǔn)牛頓第一定律的含義，即力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。(2)由“果”索“因”：如果物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，則物體必然受到不為零的合外力的作用，所以判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否改變以及如何改變，應(yīng)分析物體的受力情況。(3)應(yīng)用步驟：應(yīng)用牛頓第一定律解釋有關(guān)現(xiàn)象時(shí)，一要看物體原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，二要看物體現(xiàn)在的受力情況及所受合力是否為零，最后判斷由于物體具有慣性將會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?下列關(guān)于牛頓第一定律的說法正確的是(B)A．由牛頓第一定律可知，物體在任何情況下始終處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)B．牛頓第一定律既揭示了物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，又揭示了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因C．牛頓第一定律反映了物體不受外力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此物體在不受力時(shí)才有慣性D．牛頓第一定律只是反映慣性大小的，因此也叫慣性定律解析：物體在不受力的作用時(shí)，總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；牛頓第一定律既揭示了物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，又揭示了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因，B項(xiàng)正確；慣性是物體的固有屬性，慣性大小只與質(zhì)量有關(guān)，與物體是否受力無關(guān)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；牛頓第一定律反映了物體具有慣性以及力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，D項(xiàng)錯(cuò)誤。探究二對(duì)慣性概念的理解要點(diǎn)提煉1.慣性與質(zhì)量的關(guān)系(1)慣性是物體的固有屬性，一切物體都具有慣性。(2)慣性與物體受力情況、運(yùn)動(dòng)情況及地理位置均無關(guān)。(3)質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度，質(zhì)量越大，慣性越大。2．慣性與力的關(guān)系(1)慣性不是力，而是物體本身固有的一種性質(zhì)，因此說“物體受到了慣性作用”“產(chǎn)生了慣性”“受到慣性力”等都是錯(cuò)誤的。(2)力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，慣性是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。力越大，越易改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。(3)慣性與物體的受力情況無關(guān)。3．慣性與速度的關(guān)系(1)速度是表示物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，是矢量，慣性是物體本身固有的性質(zhì)，其大小僅由物體質(zhì)量決定。(2)一切物體都有慣性，和物體是否有速度及速度的大小均無關(guān)。4．慣性與慣性定律的關(guān)系(1)慣性不是慣性定律，慣性沒有條件限制，是物體的一種固有屬性。(2)慣性定律是物體不受外力作用時(shí)物體運(yùn)動(dòng)所遵守的一條規(guī)律。(1)在不受力(或合外力為零)的條件下，慣性表現(xiàn)為保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(2)在受力條件下，慣性表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度。質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。典例剖析典題2(2022·浙江金華市高一期末)如圖甲和乙，是踩香蕉皮摔倒和一名騎行的人因自行車前輪突然陷入一較深的水坑而倒地的照片。下面是從物理的角度去解釋這兩種情境，其中正確的是(C)A．甲圖中踩了香蕉皮摔倒是因?yàn)槿说膽T性變小了的原因B．乙圖中人和車摔倒是因?yàn)橛晏炻访嫣斐傻腃．踩香蕉皮摔倒是因?yàn)橄掳肷硭俣却笥谏习肷淼乃俣仍斐傻腄．自行車行駛速度越大，其慣性越大，所以造成人車倒地現(xiàn)象思路引導(dǎo)：一切物體在任何狀態(tài)下都有慣性，其大小取決于物體的質(zhì)量，和其他因素?zé)o關(guān)。解析：甲圖中踩了香蕉皮摔倒是因?yàn)槿说哪_受到的摩擦力突然變小，腳不能立刻停下來，腳向前滑，由于慣性，上半身還要保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而使得人下半身速度大于上半身的速度，所以人會(huì)向后傾倒，而不是人慣性變小了的原因，故A錯(cuò)誤，C正確；乙圖中人和車摔倒是因?yàn)檐嚨那拜喯萑胨雍笄拜喠⒖掏Ｖ?，但人與車的后半部分由于慣性仍保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此人和車將向前傾倒。而不是因?yàn)橛晏炻访嫣斐?，故B錯(cuò)誤；慣性只與物體的質(zhì)量有關(guān)，與速度大小沒有關(guān)系，故D錯(cuò)誤。思維升華：慣性理解兩注意(1)注意一個(gè)“一切”，即一切物體具有慣性；(2)注意一個(gè)“唯一”，即質(zhì)量是慣性大小的“唯一”量度。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2023·山東濰坊高一統(tǒng)考期末)2022年女足亞洲杯中國女足表現(xiàn)完美，再次站在亞洲之巔，這也是中國女足第9個(gè)亞洲杯冠軍，下圖是8號(hào)女將姚偉的一腳遠(yuǎn)射。以下說法正確的是(B)A．足球被踢出后仍能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樽闱蚴艿綉T性力的作用B．足球被運(yùn)動(dòng)員用頭頂入對(duì)方球網(wǎng)，說明力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)C．足球在運(yùn)動(dòng)中阻力逐漸減小，慣性也在減小D．足球在運(yùn)動(dòng)中速度逐漸減小，慣性也在減小解析：物體保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)叫作慣性，慣性不是一種力。足球繼續(xù)運(yùn)動(dòng)并不是受到慣性力的原因，A錯(cuò)誤；足球被運(yùn)動(dòng)員用頭頂入對(duì)方球網(wǎng)，說明力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，B正確；慣性只與物體的質(zhì)量大小有關(guān)，不因物體受到的阻力和運(yùn)動(dòng)速度的改變發(fā)生變化，C、D錯(cuò)誤。在研究物體運(yùn)動(dòng)原因的過程中，伽利略創(chuàng)造性地運(yùn)用了一種新的研究方法——理想實(shí)驗(yàn)，理想實(shí)驗(yàn)也稱為實(shí)驗(yàn)推理法或思想實(shí)驗(yàn)，其核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理(包括數(shù)學(xué)演算)和諧地結(jié)合起來，以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，加以邏輯推理得出結(jié)論。這種依據(jù)邏輯推理把實(shí)際實(shí)驗(yàn)理想化的思想也是研究物理問題的重要方法之一?！袄硐雽?shí)驗(yàn)”只是一種邏輯推理的思維過程，它的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗(yàn)認(rèn)識(shí)正確與否的標(biāo)準(zhǔn)，由“理想實(shí)驗(yàn)”所得出的任何推論，都必須由觀察或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果來檢驗(yàn)。伽利略研究物體運(yùn)動(dòng)原因的理想實(shí)驗(yàn)，其本質(zhì)是想象著把實(shí)際中存在、影響物體運(yùn)動(dòng)的摩擦力去掉，抓住事物的本質(zhì)。在研究自由落體運(yùn)動(dòng)的過程中，伽利略也運(yùn)用了理想實(shí)驗(yàn)的方法，以歸謬的邏輯推理駁斥了亞里士多德“重的物體下落得快”的論斷，得出“重的物體與輕的物體應(yīng)該下落得同樣快”的猜想。隨后，伽利略采用斜面實(shí)驗(yàn)與推理相結(jié)合的方法研究了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律(如圖所示，詳情見教材第二章第4節(jié))。該斜面實(shí)驗(yàn)除運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)，還運(yùn)用放大的思想方法，“沖淡”重力。第三章觀察微小形變的實(shí)驗(yàn)也采用了放大的思想，后續(xù)課程還會(huì)遇到這種方法的運(yùn)用(例如，必修第二冊(cè)引力常量的測量、必修第三冊(cè)庫侖的扭秤實(shí)驗(yàn))。理想實(shí)驗(yàn)在近代物理科學(xué)研究中也有著舉足輕重的作用。例如，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論、理論物理學(xué)家對(duì)量子理論本質(zhì)的探索等，都用到了理想實(shí)驗(yàn)。案例(多選)下列事例應(yīng)用了理想實(shí)驗(yàn)方法的有(BC)A．用實(shí)驗(yàn)探究彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系B．將豎直玻璃管中的空氣不斷抽出，羽毛和鐵片下落的快慢趨于相同，由此猜測在真空中羽毛和鐵片下落得同樣快C．將真空罩中的空氣不斷抽出，罩中鈴聲越來越小，由此猜測真空不能傳聲D．推導(dǎo)v－t圖像與t軸所圍面積的意義時(shí)，不斷增加小矩形的個(gè)數(shù)解析：用實(shí)驗(yàn)探究彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系，沒有用到理想實(shí)驗(yàn)法，A錯(cuò)誤；絕對(duì)真空不可能實(shí)現(xiàn)，只可能無限逼近，B、C事例都是在可靠實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上(真空程度越來越高時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象)，通過合理外推得出猜想性的結(jié)論(絕對(duì)真空中應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象)，結(jié)論是否成立還要通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，應(yīng)用了理想實(shí)驗(yàn)方法，B、C正確；推導(dǎo)v－t圖像與t軸所圍面積的意義時(shí)，不斷增加小矩形的個(gè)數(shù)的過程中，用到了微元累積法，這種方法雖然也用到了類似理想實(shí)驗(yàn)法中無限逼近的思想，但是其推導(dǎo)過程在數(shù)學(xué)上、邏輯上嚴(yán)密，得出的結(jié)論是可靠的，無需由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，因此與理想實(shí)驗(yàn)法不同，D錯(cuò)誤。核心素養(yǎng)科學(xué)思維“理想實(shí)驗(yàn)”，又叫作“假想實(shí)驗(yàn)”“抽象的實(shí)驗(yàn)”，它是人們進(jìn)行邏輯推理過程和理論研究的重要方法?！袄硐雽?shí)驗(yàn)”雖然也叫作“實(shí)驗(yàn)”，但它與真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是有原則性區(qū)別的，真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐活動(dòng)，而“理想實(shí)驗(yàn)”則是一種思維活動(dòng)；前者是可以將設(shè)計(jì)通過物化過程而實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，后者則是由人們?cè)诔橄笏季S中設(shè)想出來而實(shí)際上無法做到的“實(shí)驗(yàn)”?！袄硐雽?shí)驗(yàn)”并不是脫離實(shí)際的主觀臆想。首先，“理想實(shí)驗(yàn)”是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的。所謂的“理想實(shí)驗(yàn)”就是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對(duì)實(shí)際過程做出更深層次的抽象分析。其次，“理想實(shí)驗(yàn)”的推理過程，是以一定的邏輯法則為根據(jù)的，而這些邏輯法則，都是從長期的社會(huì)實(shí)踐中總結(jié)出來的，并為實(shí)踐所證實(shí)了的。“理想實(shí)驗(yàn)”在自然科學(xué)的理論研究中有著重要的作用。但是，“理想實(shí)驗(yàn)”的方法也有其一定的局限性?！袄硐雽?shí)驗(yàn)”只是一種邏輯推理的思維過程，它的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗(yàn)正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。相反，由“理想實(shí)驗(yàn)”所得出的任何推論，都必須由觀察或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果來檢驗(yàn)。一、對(duì)伽利略理想實(shí)驗(yàn)的理解1．如圖所示，伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)(D)A．證明了力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因B．證明了沿斜面滾下的小球，能滾上另一個(gè)斜面上相同的高度C．證明了沿斜面滾下的小球，到了水平面上就做勻速直線運(yùn)動(dòng)D．證明了物體的運(yùn)動(dòng)不需要力維持解析：證明了物體的運(yùn)動(dòng)不需要力維持，A錯(cuò)誤、D正確；沿斜面滾下的小球，由于摩擦力作用，滾不到另