高中物理 4.1 牛顿第一定律学案 新人教版必修1

4.1 牛顿第一定律

高速行驶的汽车，关闭发动机以后会停下来；足球运动员分别在草地上、水泥地上、冰面上以相同的初速度把足球踢出，足球由静止开始运动，并且很快在草地上停下来，在水泥地上运动得比较远，而在冰面上时运动得更远，是否有力作用在物体上物体才运动，而力消失以后，物体就不运动了呢？上面例子中的足球在不同的物体表面滚动时，又为何滚动不同的距离才停下来呢？

伽利略的理想实验

1．伽利略为了说明他的思想，设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度．减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些．继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远．于是他问道：若将后一斜面放平，球会滚动多远？

2．结论

一旦物体具有某一速度，如果它不受力，物体将以这个速度匀速运动下去．也就是说，力不是维持物体运动的原因，而恰恰是改变物体运动状态的原因．

3．意义

(1)提供了一种非常重要的研究方法：“实验＋科学推理”的方法．

(2)揭示了力是改变物体运动状态的原因．

力与物体的运动状态

1．速度是描述物体运动状态的一个物理量，它是矢量，既有大小又有方向．

2．(1)当物体的速度大小和方向都保持不变时，则这个物体的运动状态保持不变．

(2)当物体的速度发生变化时，则这个物体的运动状态发生了变化．物体的运动状态变化有以下三种情况：

①速度的方向不变，只有大小改变．

②速度的大小不变，只有方向改变．

③速度的大小和方向都发生改变．

3．力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动状态的原因，物体运动状态发生改变必定受到不为零的外力作用，反之亦然，力与运动状态没有必然的联系．

牛顿第一定律

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．理解

(1)明确了惯性的概念．揭示了物体所具有的一个重要属性——惯性，即物体总有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质．定律指出，一切物体在任何情况下都具有惯性，正因为如此，牛顿第一定律又叫惯性定律．

(2)明确了力的含义．力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因．

(3)定性地揭示了力和运动的关系．任何物体只要运动状态保持不变，它所受的合外力必然为零；反之，如果物体的运动状态发生了变化，那么物体必受到了不为零的合外力．

3．定律成立的条件：惯性参考系

在研究地面上物体的运动时，一般选取地面或相对地面静止或匀速直线运动的物体为惯性系．

举例：(1)火车沿平直轨道匀速运动时，可将火车看做惯性系来研究火车内其他物体的运动．

(2)火车由静止加速启动时，如果以火车为参考系，原来静止在火车内水平光滑桌面上的物体会相对火车向后加速度运动，但物体水平方向上并没有受力，因此牛顿第一定律不成立，此时火车为非惯性系．

对惯性的理解

1．概念：惯性是一种性质，保持原有运动状态不变的性质，是物体的固有属性．

2．决定因素：由质量惟一决定，与运动状态无关，与是否受力无关．

3．表现形式

(1)在不受力条件下，惯性表现出“保持”“原来的”运动状态，有“惰性”的意思．

(2)在受力条件下，惯性表现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. .

一、对伽利略理想斜面的理解

例1 理解实验有时能深刻地反映自然规律．伽利略设想了一个理想实验，如图4－1－2所示．

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，最后使它成水平面，小球要沿水平面作持续的匀速运动．

请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列：____________.(只要填写序号即可)

在上述的设想步骤中，有的属于可靠的事实，有的则是理想化的推论．下列关于事实和推论的分类正确的是( )

A．①是事实，②③④是推论

B．②是事实，①③④是推论

C．③是事实，①②④是推论

D．④是事实，①②③是推论

解析 ②是可靠事实，因此应放在第一步；①③是在可靠事实基础上提出的设想(斜面没有摩擦)，④是进行合理外推得出的推论，因此，正确的顺序是②③①④，其中②是事实，其余的是推论．

答案 ②③①④ B

理想实验应建立在可靠事实的基础上，将实验条件理想化，并进行科学抽象和推理，得出正确的结论．分析物理问题时常采用的假设法、极端法都是“理想实验”这种方法的迁移.

二、惯性的理解及应用

例2 在匀速前进的磁悬浮列车里，小明将一小球放在水平桌面上相对桌面静止．关于小球运动与列车运动，下列说法正确的是( )

A．如果小球向前滚动，则磁悬浮列车在加速前进

B．如果小球向后滚动，则磁悬浮列车在加速前进

C．磁悬浮列车急刹车时，小球向前滚动

D．磁悬浮列车急刹车时，小球向后滚动

解析 如果磁悬浮列车减速，磁悬浮列车运动的速度变小了，而小球因为有惯性，要保持原来的匀速直线运动状态，所以小球运动的速度要大于磁悬浮列车运动的速度，即小球要相对磁悬浮列车向前滚．反之，当磁悬浮列车加速时，小球要相对磁悬浮列车向后滚．由以上分析可知，选B、C正确．

答案 BC

三、力和运动的关系

例3 从水平匀速向右飞行的飞机上按相等的时间间隔依次放出a、b、c三个球，不考虑空气阻力，站在地面上的人看到它们在空中的排列情况是(

)

解析 从飞机上释放的球在水平方向上没有受到外力的作用，由牛顿第一定律可知，在水平方向上，a、b、c三个球的运动状态保持不变，即都以与飞机相同的水平速度作匀速直线运动，故三个球始终在飞机的正下方，三球的连线是一条竖直线．

答案 B 力是改变物体运动状态的原因．水平方向的运动与竖直方向的运动各自独立，即水平方向的力改变水平方向的运动状态，竖直方向的力改变竖直方向的运动状态.

1.关于牛顿第一定律，下列说法正确的是( )

A．牛顿第一定律是一条实验定律

B．牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因

C．惯性定律和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

2．下面是摘自上个世纪美国报纸上的一篇小文章：阿波罗登月火箭在脱离地球飞向月球的过程中，飞船内宇航员通过无线电与在家中上小学的儿子汤姆通话．宇航员：“汤姆，我们现在已关闭火箭上所有推动机，正向月球飞去．”汤姆：“你们关闭了所有推动机，那么靠什么力量推动火箭向前运动？”宇航员犹豫了半天，说：“我想大概是伽利略在推动飞船向前运动吧．”若不计星球对火箭的作用力，由上述材料可知下列说法错误．．的是( )

A．汤姆问话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”

B．宇航员答话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”

C．宇航员答话所体现的物理思想是“物体运动不需要力来维持”

D．宇航员答话的真实意思是火箭正在依靠惯性飞行

答案 B

解析 宇航员答话所体现的物理思想是：运动物体不需要力来维持．B项错误．

3．歼击机在进入战斗状态时要丢掉副油箱，这样做是为了( )

A．减小重力，使运动状态保持稳定

B．增大速度，使运动状态易于改变

C．增大加速度，使运动状态不易变化

D．减小惯性，有利于运动状态的改变

答案 D

解析 质量是物体惯性大小的量度，质量越小，惯性越小，运动状态越容易改变，故D正确．

4．如图4－1－3所示(俯视图)，以速度v匀速行驶的列车车厢内有一水平桌面，桌面上的A处有一小球．若车厢中的旅客突然发现小球沿图中虚线由A向B运动．则由此可判断列车( )

A．减速行驶，向南转弯 B．减速行驶，向北转弯

C．加速行驶，向南转弯 D．加速行驶，向北转弯

答案 A

5．关于伽利略的理想斜面实验下列说法正确的是( )

A．伽利略的理想实验是假想的，没有科学依据

B．伽利略的理想实验是在可靠的事实基础上进行抽象思维而创造出来的一种科学推理方法，是科学研究中的一种重要方法

C．伽利略的理想实验有力地否定了亚里士多德的观点

D．在科学发展的今天，伽利略的理想斜面实验是可以通过实验演示的

答案 BC

解析 伽利略的理想斜面实验是建立在可靠的实验事实基础之上，经过抽象思维、科学推理，把合理的假设、巧妙的构想和严密的推理有机地结合起来，深刻地揭示了自然规律，但现实中永远无法通过实验演示．

6．行驶的汽车在刹车后能停下，这是因为( )

A．汽车的惯性消失了

B．汽车的惯性小于汽车的阻力

C．阻力的作用改变了汽车的运动状态

D．汽车受到平衡力的作用而刹车停下

答案 C

7．在向前行驶的客车上驾驶员和乘客的身体姿势如图4－1－4所示，则对客车运动情况的判断正确的是( )

A．客车一定做匀加速直线运动

B．客车一定做匀速直线运动

C．客车可能是突然减速

D．客车可能是突然加速 答案 C

解析 从图中可以看出，人的身体倒向车前进的方向，说明此时车突然减速．因为当车突然减速时，脚随车减速了，但身体上部由于惯性仍然保持原来的运动状态，所以人会向前倒．

8．如图4－1－5所示，一个玻璃杯内盛半杯水，上面盖一块塑料板，板上放一只鸡蛋，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，请解释这一现象．

答案 见解析

解析 猛击塑料板，塑料板在水平方向快速离开杯子，由于惯性，鸡蛋仍要保持原来的静止状态，但塑料板去掉后，对鸡蛋的支持力消失，鸡蛋在重力作用下落入杯中．

惯性的理解

例1 关于物体的惯性以下说法中正确的是( )

A．物体的运动速度越大，物体越难停下来，说明运动速度大的物体惯性大

B．汽车突然减速时，车上的人向前倾，拐弯时人会往外甩，而汽车匀速前进时，车上的人感觉平稳，说明突然减速和转弯时有惯性，匀速运动时没有惯性

C．在同样大小的力作用下，运动状态越难改变的物体，其惯性一定越大

D．在长直水平轨道上匀速运动的火车上，门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起后，发现落回原处，这是因为人跳起后，车继续向前运动，人落下后必定向后偏些，但因时间太短，偏后距离太小，不明显而已

答案 C

解析 物体的惯性大小由质量惟一确定，与物体的速度无关，A错误；

一切物体均有惯性，不论物体处于加速、减速还是匀速状态，B错误；

同样大小的力作用于物体，状态越难改变，说明物体保持原来状态的本领越大，惯性也越大，所以C正确；

人向上跳起后，人在水平方向不受外力作用，由于惯性，人在水平方向的速度不变，与车速相同，因此仍落在车上原处，D错误．