《牛頓第一定律》第四章

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運動和力的關系第1節(jié)牛頓第一定律核心素養(yǎng)點擊

物理觀念(1)了解伽利略關于運動和力的關系的認識(2)能準確敘述牛頓第一定律的內容(3)知道質量是物體慣性大小的量度科學思維(1)能領悟理想實驗的科學推理方法及其意義(2)能對牛頓第一定律所揭示的運動和力的關系有較深刻理解(3)能通過實例說明質量是物體慣性大小的量度，會解釋有關的慣性現(xiàn)象科學態(tài)度與責任(1)了解牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會人類認識事物本質的曲折過程，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度(2)通過具體實例，體會生活中慣性的應用與防止，樂于將所學知識應用于日常生活實際一、理想實驗的魅力1．填一填(1)亞里士多德的觀點：必須

作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要

在某個地方。(2)伽利略的理想實驗。①斜面實驗：a．讓靜止的小球從第一個斜面滾下，沖上第二個斜面，如果沒有

，小球將上升到原來釋放時的

；b．減小第二個斜面的傾角，小球滾動的距離增大，但所達到的高度

；c．當?shù)诙€斜面放平，小球將永遠

下去。有力靜止摩擦高度相同運動②伽利略的觀點：力

(選填“是”或“不是”)維持物體運動的原因。(3)笛卡兒的觀點：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以

沿

__________運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。2．判一判(1)亞里士多德認為力是維持物體運動的原因。

(

)(2)伽利略的理想實驗是可以想辦法做到的。

()(3)伽利略的理想實驗說明了力是維持物體運動的原因。

(

)(4)笛卡兒認為若沒有力的作用，物體的運動狀態(tài)不會改變。

(

)不是同一速度同一直線√√××3．選一選伽利略的斜面實驗可以證明

(

)A．要物體運動必須有力作用，沒有力作用的物體將靜止B．要物體靜止必須有力作用，沒有力作用的物體就運動C．物體不受外力作用時，一定處于靜止狀態(tài)D．力不是維持物體運動的原因答案：D二、牛頓第一定律1．填一填(1)內容：一切物體總保持

狀態(tài)或

狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它

這種狀態(tài)。(2)慣性：物體保持原來

狀態(tài)或

狀態(tài)的性質，牛頓第一定律也叫作

定律。2．判一判(1)牛頓第一定律是可以通過實驗驗證的。

()(2)牛頓認為力的真正效應總是改變物體的速度，而不僅僅是使之運動。

(

)(3)牛頓第一定律說明一切物體都具有慣性。

()(4)牛頓第一定律說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因。

(

)勻速直線運動靜止改變勻速直線運動靜止慣性××√√3．選一選下列關于牛頓第一定律的說法正確的是

(

)A．牛頓第一定律是牛頓在前人工作基礎上研究得出的B．牛頓第一定律是通過理想實驗方法得出的，可用實驗驗證C．慣性是一種力，慣性定律與慣性的實質相同D．物體的運動不需要力來維持，但物體的運動速度決定了慣性的大小答案：A三、慣性與質量1．填一填(1)描述物體慣性的物理量是它的

。(2)質量越大的物體慣性越

。(3)質量只有大小，沒有

，是標量。2．判一判(1)速度越大，物體的慣性越大。

()(2)受力越大，物體的慣性越大。

()(3)乒乓球可以快速抽殺，是因為乒乓球的慣性小。

()(4)物體只有處于靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)時才有慣性。

()質量大方向×××√3．想一想如圖甲所示，公交車上站著的乘客身體突然向后傾倒；如圖乙所示，公交車內乘客身體突然向前傾倒。思考：(1)什么情況下會出現(xiàn)圖甲的情景？提示：公交車快速啟動或突然加速時，乘客會向后傾倒。(2)什么情況下會出現(xiàn)圖乙的情景？提示：公交車急剎車或突然減速時，乘客會向前傾倒。主題探究(一)對伽利略理想實驗的理解[問題驅動](1)伽利略用兩個對接的斜面，一個斜面固定，讓小球從斜面上滾下，又滾上另一個傾角可以改變的斜面，斜面傾角逐漸改變至零，如圖所示。伽利略設計這個實驗的目的是什么？提示：為了說明維持物體的運動不需要力。(2)伽利略的理想實驗有什么局限性？提示：①接觸面不可能絕對光滑。②水平面不可能做得無限長。(3)總結伽利略和笛卡兒的觀點，說明運動和力的關系。提示：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，不是維持物體運動狀態(tài)的原因。

【重難釋解】1．理想實驗的推論一切運動著的物體在沒有受到外力的時候，它的速度將保持不變，并且一直運動下去。2．理想實驗的意義(1)伽利略理想實驗是以可靠的實驗事實為基礎，經過抽象思維，抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規(guī)律。(2)伽利略理想實驗是把實驗和邏輯推理相結合的一種科學研究方法。典例1

理想實驗有時能更深刻地反映自然規(guī)律。伽利略設想了一個理想實驗，如圖所示。下面是關于該實驗的步驟：①減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面上仍然要達到原來的高度。②如圖為兩個對接的斜面，讓靜止的小球沿一個斜面滾下，小球將滾上另一個斜面。③如果沒有摩擦，小球將上升到原來釋放時的高度。④繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，最后使它成為水平面，小球將沿水平面做持續(xù)的勻速運動。(1)請將上述理想實驗的設想步驟按照正確的順序排列____________(填寫序號即可)。(2)在上述的設想實驗步驟中，有的屬于可靠的實驗事實，有的則是理想化的推論，請問步驟②屬于___________。[解析]理想實驗的思想方法：在實驗事實的基礎上，經過合理的想象，獲取結論。針對題目所述的實驗步驟，正確的排列順序是②③①④，步驟②屬于可靠的實驗事實。[答案]

(1)②③①④

(2)可靠的實驗事實【素養(yǎng)訓練】1．(多選)科學家關于物體運動的研究對樹立正確的自然觀具有重要作用。下列說法符合歷史事實的是

(

)A．亞里士多德認為，必須有力作用在物體上，物體的運動狀態(tài)才會改變B．伽利略通過“理想實驗”得出結論：一旦物體具有一定的速度，如果它不受力，它將以這一速度永遠運動下去C．笛卡兒指出：如果運動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動，既不停下來也不偏離原來的方向D．牛頓認為，物體具有保持原來勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質答案：BCD2．伽利略的理想實驗證明了

(

)A．物體運動必須有力作用，沒有力的作用物體將要靜止B．物體運動速度越大，其慣性越大C．物體不受力作用時，一定處于靜止狀態(tài)D．物體不受力作用時，總保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)答案：D主題探究(二)對牛頓第一定律的理解[問題驅動]如圖所示是冰壺在冰面上的運動情景。冰壺比賽過程中，運動員在冰壺前面擦掃冰面，可以使表面冰層融化，形成一層薄薄的水膜，而水膜的阻力比冰面要小，所以冰壺可以滑行的更遠。(1)圖中的冰壺為什么會停下來？它說明了什么問題？提示：冰壺停下來是因為受到了冰面的摩擦力的作用。說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因。(2)試猜想如果冰壺不受外力作用將處于什么狀態(tài)？提示：冰壺原來靜止，不受外力作用時，仍然靜止；冰壺原來運動，不受外力作用時將保持勻速直線運動狀態(tài)。(3)從(1)、(2)兩個問題中，我們能得到什么結論？提示：物體不受外力作用或所受合力為零時，總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。

【重難釋解】1．物體運動狀態(tài)的變化物體運動狀態(tài)的變化指的就是速度的變化，分以下三種情景：(1)速度的方向不變，大小變化。(2)速度的大小不變，方向變化。(3)速度的大小和方向都發(fā)生變化。2．對牛頓第一定律的理解(1)揭示了力和運動的關系：①力是改變物體運動狀態(tài)的原因(或者說力是使物體產生加速度的原因)，而不是維持物體運動狀態(tài)的原因。②物體不受外力時的運動狀態(tài)：勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)。(2)揭示了一切物體都具有慣性，因此牛頓第一定律也叫慣性定律。[特別提醒]

牛頓第一定律是“經驗定律”，無法用實驗驗證。典例2

(多選)關于牛頓第一定律有下列說法，其中正確的是

(

)A．牛頓第一定律可用實驗來驗證B．牛頓第一定律說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因C．慣性定律與慣性的實質是相同的D．物體的運動不需要力來維持[解析]

牛頓第一定律不是實驗定律，故不能用實驗來驗證，選項A錯誤；牛頓第一定律說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因，選項B正確；慣性定律是物體遵循的規(guī)律，而慣性是物體的性質，其實質是不相同的，選項C錯誤；物體的運動不需要力來維持，選項D正確。[答案]

BD

【素養(yǎng)訓練】1．(多選)物體的運動狀態(tài)改變了，不可能發(fā)生的是

(

)A．速率不變 B．速度不變C．物體不受任何力

D．運動方向不變答案：BC2．下列說法正確的是

(

)A．牛頓第一定律是科學家憑空想象出來的，沒有實驗依據(jù)B．牛頓第一定律無法用實驗直接驗證，因此是不成立的C．理想實驗的思維方法與質點概念的建立一樣，都是一種科學抽象的思維方法D．由牛頓第一定律可知，靜止的物體一定不受外力作用答案：C主題探究(三)對慣性的理解【重難釋解】1．慣性的大小(1)質量是慣性大小的唯一量度。質量越大，慣性越大；反之則越小。(2)慣性大小與物體運動狀態(tài)(速度)、受力情況以及所處地理位置均無關。2．慣性的表現(xiàn)(1)不受力時，慣性表現(xiàn)為保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)。(2)受力時，慣性表現(xiàn)為運動狀態(tài)改變的難易程度。質量越大，慣性越大，運動狀態(tài)越難以改變。

典例3

(鄭州高一檢測)如圖所示，一個盛水的容器固定在一輛小車上，在容器中分別懸掛和拴住一只鐵球和一只乒乓球，容器中水和鐵球、乒乓球都處于靜止狀態(tài)，當容器隨小車突然向右運動時，兩球的運動狀況是(以小車為參考系) (

)A．鐵球向左，乒乓球向右B．鐵球向右，乒乓球向左C．鐵球和乒乓球都向左D．鐵球和乒乓球都向右[解析]因為小車突然向右運動時，由于慣性，鐵球和乒乓球都有向左運動的趨勢，但由于與同體積的“水球”相比，鐵球的質量大，慣性大，鐵球的運動狀態(tài)難改變，即速度變化慢，而同體積的“水球”的運動狀態(tài)容易改變，即速度變化快，而且水和車一起加速運動，所以小車加速運動時，鐵球相對于小車向左運動；同理，由于與同體積的“水球”相比，乒乓球的質量小，慣性小，乒乓球向右運動，選項A正確。[答案]

A

解答慣性現(xiàn)象的思路(1)明確研究的物體原來處于怎樣的運動狀態(tài)。(2)當外力作用在物體的某一部分時，這一部分運動狀態(tài)的變化情況。(3)明確物體由于慣性要保持怎樣的運動狀態(tài)，然后判斷物體會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?！舅仞B(yǎng)訓練】1．關于慣性，下列說法正確的是

(

)A．高速行駛的公共汽車緊急剎車時，乘客都要向前傾倒，說明乘客受到慣性力的作用B．短跑運動員最后沖刺時，速度很大，很難停下來，說明速度越大，慣性越大C．慣性的大小僅與質量有關，質量越大，慣性越大D．把手中的球由靜止釋放后，球能豎直下落，是由于球具有慣性的緣故答案：C2．質量為60kg的某人以3m/s的速度運動，質量為100g的子彈以600m/s的速度飛行，則下列說法正確的是 (

)A．人的慣性大B．子彈的慣性大C．人和子彈的慣性一樣大D．無法判斷答案：A一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維1．勻速直線運動的演示[選自新魯科版“實驗與探究”]伽利略與笛卡兒的觀點皆基于理想情況，在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。下面我們通過氣墊導軌來演示在可忽略阻力情況下物體的勻速直線運動。如圖所示，用氣泵給氣墊導軌充氣，氣體從氣墊導軌的小孔中噴出，在滑塊與導軌間形成空氣薄層——氣墊。這樣，滑塊在氣墊上滑動時受到的阻力很小，可忽略不計。將氣墊導軌調至水平，給滑塊一個初速度，使其運動起來。利用光電門和電子計時器測出滑塊在運動過程中的速度幾乎不變。可見，水平方向雖沒有外力作用，但滑塊能保持勻速直線運動。利用氣墊導軌可以演示滑塊在運動過程中的速度幾乎不變，你從中可以得出什么結論？提示：物體的運動并不需要力來維持，或者說力不是維持物體運動的原因。2．(選自新粵教版課后練習)(1)兩個完全相同的物體，在同一水平面上分別沿直線滑行，則初速度較大的物體要比初速度較小的物體滑行時間長。據(jù)此，有同學說：“物體的運動速度越大，慣性就越大?！边@種說法是否正確？為什么？提示：這種說法錯誤，質量是慣性大小的唯一量度，慣性和物體的運動狀態(tài)無關。(2)快速下坡的自行車，如需緊急剎車，是必須剎住前輪呢，還是必須剎住后輪？說明其中的道理。提示：必須剎住后輪。若剎住前輪，由于慣性，自行車向前翻滾，這樣會將騎車的人置于危險之中。二、注重學以致用和思維建模1．

如圖所示是一種汽車安全帶控制裝置示意圖。當汽車處于靜止或勻速

直線運動時，擺錘豎直懸掛，鎖棒水平，棘輪可以自由轉動，安全帶

能被拉動。當汽車突然剎車時，擺錘由于慣性繞軸擺動，使得鎖棒鎖

定棘輪的轉動，安全帶不能被拉動。若擺錘從圖中實線位置擺到虛線位置，汽車的可能運動方向和運動狀態(tài)是

(

)A．向右行駛、勻速直線運動B．向左行駛、勻速直線運動C．向右行駛、突然剎車D．向左行駛、突然剎車解析：若汽車做勻速直線運動，則擺錘不會從實線位置擺到虛線位置，故選項A、B均錯誤；由題圖可知擺錘向右擺動，根據(jù)慣性知識可推知，汽車可能向左加速或向右減速，故選項C正確，選項D錯誤。答案：C

2．[選自新魯科版“迷你實驗室”]上段還是下段的細繩先斷？用細繩把一本較厚重的書扎一圈，然后將細繩的一端懸掛起來，另一端用手牽住(如圖)。先迅速用力將細繩往下一拉，看細繩的哪一段先斷開。再做一次，拉力逐漸加大，直到細繩被拉斷，看看又是細繩的哪一段先斷開。比較兩次拉斷細繩的結果，想想這是為什么。解析：當迅速用力拉繩時，下段細繩先斷。原因是：由于書本比較厚重，慣性較大，其運動狀態(tài)難以改變，在迅速向下拉繩的瞬間，書本可以認為固定不動，上段繩的力沒增大，而此時下段細繩承受的力將比上段細繩承受的力大，因此，下段細繩將會先斷。當慢慢增大拉力時，由平衡知識可知，上段細繩承受的力為書的重力和手對下段細繩拉力之和，所以上段細繩的拉力總比下段細繩的拉力大，上段細繩一定先斷。答案：見解析問題一伽利略的理想斜面實驗[情境探究]現(xiàn)代人驗證“伽利略的理想斜面實驗的描述中是由于摩擦作用導致小車停止”設計以下情景演示,讓一個小車從同一斜面上同一高度處滑下,水平面上分別放置毛巾、木板和玻璃板,水平面與斜面平滑連接,小車行駛距離最大的是玻璃面,其次是木板面,距離最小的是毛巾面。結合上述現(xiàn)象討論:(1)如果水平面是“絕對光滑”,小車的運動情況會怎樣?這樣得出的結論正確嗎?(2)這個結論說明什么問題?要點提示

(1)小車將一直運動下去;正確,這是在實驗事實基礎上推理得出的結論。(2)說明物體的運動不需要力來維持。[知識點撥]伽利略的思想方法和意義1.伽利略用“實驗+科學推理”的方法推翻了亞里士多德的觀點。伽利略的理想斜面實驗雖然是理想實驗,但這個實驗反映了一種物理思想,它是建立在可靠的事實基礎之上,以事實為依據(jù),以抽象為指導,抓住主要因素,忽略次要因素,從而深刻揭示自然規(guī)律。2.第一次確立了物理實驗在物理研究中的基礎地位。3.揭示了力不是維持物體運動的原因。要點筆記

“理想實驗”雖然在研究中有重大作用,但是它只是一種思維過程,只限于邏輯上的證明與反駁,不能用作檢驗認識正確與否的標準。[實例引導]例1(2020湖北黃岡高一月考)圖1是伽利略利用斜面實驗研究自由落體運動的示意圖,圖2是伽利略為了說明力和運動的關系利用斜面實驗的示意圖。下列說法正確的是(

)A.圖1中甲、乙、丙、丁均是實驗得到的現(xiàn)象B.圖1中甲、乙、丙、丁均是推理得到的運動情景C.圖2中伽利略通過實驗觀察到A處釋放的小球運動到C處D.圖2的推理表明力不是維持物體運動的原因解析

伽利略做題圖1的理想斜面實驗時,由于受到當時實驗條件的限制,只做了斜面傾角很小的實驗,則只有題圖1甲是實驗得到的現(xiàn)象,其他都是合理外推得出的結論,故A、B錯誤;題圖2的理想斜面實驗,通過推理得出若減小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面上仍然要達到原來的高度,故C錯誤;由題圖2得出的結論是物體具有某一速度的物體如果不受力,它將以這一速度永遠運動下去,表明了力不是維持物體運動的原因,故D正確。答案

D規(guī)律方法

分清事實與推論的方法(1)事實是真實發(fā)生的事情,在實驗時我們可以親眼觀測到的現(xiàn)象。(2)推論是根據(jù)現(xiàn)象推測發(fā)生這件事的條件或會出現(xiàn)的結果。變式訓練1(多選)(2020山西太原高一期末)如圖是伽利略著名的斜面實驗示意圖。將小球從左側斜面某一位置由靜止釋放,小球將“沖”上右側的斜面。如果沒有摩擦,小球將到達原來的高度。如果右側斜面傾角減小,小球仍將到達原來的高度,但是運動的距離會更長……根據(jù)這一實驗(

)A.伽利略合理外推出小球在水平面丁上運動的結果B.伽利略推斷出任何物體都具有慣性C.伽利略推斷出力是維持物體運動狀態(tài)不變的原因D.伽利略推斷出物體的運動不需要力來維持解析

如果沒有摩擦,小球將上升到釋放時的高度,進一步假設若減小第二個斜面的傾角,小球在這斜面上仍然要達到原來的高度,繼續(xù)減小角度,最后使它成水平面,小球將沿水平面做持續(xù)勻速運動,即伽利略合理外推出小球在水平面丁上運動的結果,A正確;理想斜面實驗只能說明小球具有慣性,推廣到一切物體的是牛頓,B錯誤;該實驗證實了力不是維持物體運動的原因,即物體的運動不需要力來維持,C錯誤,D正確。答案

AD問題二對牛頓第一定律的理解[情境探究]如圖所示,冰壺比賽中,運動員為了使冰壺到達某一固定位置,會給冰壺一個速度,當速度略小時,隊員會用力摩擦冰壺前進的路線,使其更加光滑,這樣冰壺就可以滑得“更遠”。試結合上述現(xiàn)象討論:(1)冰壺行進過程中,速度越來越小是因為摩擦力的作用,說明運動和力是什么關系?(2)如果后面把路徑摩擦的絕對光滑,冰壺將會處于什么狀態(tài)?要點提示

(1)說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因。(2)冰壺原來是運動的,當合外力為零時,冰壺將永遠做勻速直線運動。[知識點撥]1.運動狀態(tài)改變的三種情況(1)速度方向不變,只有速度大小改變(2)速度大小不變,只有速度方向改變(3)速度大小和方向都改變2.對牛頓第一定律的理解

[實例引導]例2(寧夏六盤山高級中學高一期末)根據(jù)牛頓第一定律,下列說法正確的是(

)A.自行車緊急剎車,輪子不轉了,車子就會立即停止B.氣球吊著物體上升,某時刻繩子突然斷了,物體立刻相對地面向下運動C.由于地球由西向東轉,所以我們向上跳起后不會落到原地D.運動員沖刺到終點后,由于慣性不能馬上停下來,還要向前跑一段距離解析

剎車時,雖然輪子不轉了,但車子還有較大的速度,由于慣性還會向前運動,故A錯誤;繩子斷的瞬間,物體有向上的速度,則物體仍保持向上的運動,故B錯誤;我們向上跳起后,由于慣性,保持了與地球相同的轉動速度,故落下后仍在原地,C錯誤;運動員沖刺到終點后,由于慣性不能馬上停下來,還要向前跑一段距離,D正確。答案

D規(guī)律方法

巧用牛頓第一定律(1)由“因”索“果”:在判斷力與運動之間的關系時,一定要把握準牛頓第一定律的含義,即力是改變物體運動狀態(tài)的原因,而不是維持物體運動狀態(tài)的原因。(2)由“果”索“因”:如果物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變,則物體必然受到不為零的合外力的作用,所以判斷物體的運動狀態(tài)是否改變以及如何改變,應分析物體的受力情況。(3)應用步驟:應用牛頓第一定律解釋有關現(xiàn)象時,一要看物體原來的運動狀態(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出現(xiàn)的現(xiàn)象。變式訓練2

小云同學為了取出如圖所示羽毛球筒中的羽毛球,一手拿著球筒的中部,另一手用一個較大的力F擊打羽毛球筒的上端,則(

)A.該同學無法取出羽毛球B.該同學是在利用羽毛球的慣性C.該同學擊打筒的上端是為了改變羽毛球筒的慣性D.羽毛球筒向下運動的過程中,羽毛球受到向上的摩擦力才會從上端出來解析

用較大的力擊打羽毛球筒,羽毛球筒迅速向下運動,根據(jù)牛頓第一定律,羽毛球由于慣性仍在原位置,羽毛球相對于羽毛球筒向上運動,羽毛球從上端出來,故A錯誤、B正確;該同學擊打筒的上端是為了改變羽毛球筒的運動狀態(tài),故C錯誤;羽毛球相對球筒向上運動,受到向下的摩擦力,故D