第1节 牛顿第一定律

第1节牛顿第一定律学习目标核心素养形成脉络1.知道伽利略的理想实验及其推理过程，知道理想实验是科学研究的重要方法．(难点)2.理解牛顿第一定律的内容及意义．(重点)3.明确惯性的概念，会解释有关的惯性现象．(难点)一、理想实验的魅力1．亚里士多德的观点：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止．即力是维持物体运动的原因．2．伽利略的观点(1)理想实验：让小球沿第一个斜面从静止状态开始向下运动，然后冲上第二个斜面，如果没有摩擦，小球上升的高度与释放时的高度相同．减小第二个斜面的倾角，小球滚动的距离增大．科学推论：当将第二个斜面放平时，小球将会永远运动下去．(2)结论：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．笛卡尔的观点：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向．二、牛顿物理学的基石——惯性定律牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态．牛顿第一定律又叫惯性定律．三、惯性与质量1．惯性：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质．2．惯性的量度：质量是物体惯性大小的唯一量度．判一判(1)伽利略理想斜面实验是不科学的假想实验．()(2)理想实验所得到的结论是不可靠的．()(3)伽利略的“理想实验＋科学推论”的方法是一种科学方法．()(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)物体运动速度越大，惯性越大．()(6)力无法改变物体的惯性．()提示：(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×(6)√做一做如图所示(俯视图)，以速度v匀速行驶的列车车厢内有一光滑水平桌面，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，向北转弯提示：A想一想冰壶是冬奥会的正式比赛项目．如果冰壶在冰面上运动时不受阻力作用，它将如何运动？提示：根据牛顿第一定律，冰壶的运动状态将不发生变化，即它将保持匀速直线运动状态不变．对牛顿第一定律的理解1．伽利略理想实验的方法和意义(1)“科学推理”的方法实验事实：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．推理1：如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度．推理2：减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍要达到原来的高度．推理3：继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球将沿水平面永远运动下去．实验结论：力不是维持物体运动的原因．(2)意义：伽利略在理想实验中所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端，使人类对自然的认识由经验型转变为科学理论型．伽利略对科学的贡献就在于推翻直觉的观点而用新的观点代替它．2．物体运动状态的变化当物体的速度发生变化时，这个物体的运动状态即发生了变化．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．对牛顿第一定律的理解命题视角1对伽利略理想实验的理解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，实验步骤如下，其中有一个是实验事实，其余是推论．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，最后使它成一水平面，小球要沿水平面永远运动下去．请将上述理想实验的步骤按照正确的顺序排列：___________________________(只要填写序号即可)．在上述的步骤中，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[思路点拨] 理解理想实验，应注意以下几点：(1)真实实验是一种实践活动，是可以通过一定的实验器材和实验方法来实现的实验．(2)理想实验是一种思维活动，是抽象思维中设想出来的、无法做到的实验．(3)理想实验是以可靠的实验事实为基础的．[解析]体会伽利略的理想实验，可知排列顺序为②③①④，分类正确的是选项B.[答案]②③①④ B命题视角2对牛顿第一定律的理解(多选)(2020·郑州高一检测)关于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，是由于没有外力维持木块运动D．飞跑的运动员遇到障碍而被绊倒，这是因为他受到外力作用迫使他改变原来的运动状态[思路点拨] 解答本题需把握以下两点：(1)力不是维持物体运动的原因．(2)力是改变物体运动状态的原因．[解析]牛顿第一定律描述了物体不受外力作用时的状态，即总保持匀速直线运动状态或静止状态，A、B正确；牛顿第一定律还揭示了力和运动的关系，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，在水平地面上滑动的木块最终停下来，是由于受到摩擦阻力的作用而改变了运动状态，飞跑的运动员遇到障碍而被绊倒，是因为他受到外力作用而改变了原来的运动状态，C错误，D正确．[答案]ABD力和运动的关系(1)力的作用效果是使物体发生形变或速度发生改变，而速度的改变就意味着物体的运动状态发生了改变，因此，力的作用效果是改变了物体的运动状态，也可以说“力是使物体运动状态改变的原因”．(2)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．【通关练习】1．关于牛顿第一定律，下列说法中正确的是()A．牛顿第一定律可用实验来验证B．牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因C．惯性定律与惯性的实质是相同的D．物体的运动需要力来维持解析：选B.牛顿第一定律不是实验定律，故不能用实验来验证，选项A错误；牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因，选项B正确；惯性定律是物体遵循的规律，而惯性是物体的性质，其实质是不相同的，选项C错误；物体的运动不需要力来维持，选项D错误．2．(2020·山西泰化高一期末)根据牛顿运动定律，以下选项中正确的是()A．人只有在静止的车厢内，竖直向上高高跳起后，才会落在车厢的原来位置B．人在沿直线匀速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方C．人在沿直线加速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方D．人在沿直线减速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方解析：选C.起跳后，竖直方向向上加速，之后做竖直上抛运动，水平方向保持起跳前的速度做匀速直线运动；车速如果不变(静止或匀速)，则人和车水平方向相对静止；车如果加速，人们相对滞后，掉在后面；车如果减速，人相对超前，掉在前面．对惯性的理解和应用1．惯性与质量(1)惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性．(2)质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大．2．惯性与力(1)惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，始终具有且与外界条件无关；力只有在物体间相互作用时才有，离开了物体就无所谓力．因此说“物体受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”等都是错误的．(2)力是改变物体运动状态的原因，惯性是维持物体运动状态的原因．对同一物体，力越大，运动状态越易改变；惯性越大，运动状态越难改变．(3)惯性与物体的受力情况无关．惯性与力的区别可由下表反映：惯性力物理意义物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质物体间的相互作用存在条件是物体本身的固有属性，始终具有，与外界条件无关力只有在物体间发生相互作用时才有量度有大小(无具体数值，也无单位)，无方向有大小、方向、作用点及单位3.惯性与速度(1)速度是表示物体运动快慢的物理量，惯性是物体本身固有的属性．(2)一切物体都具有惯性，和物体是否有速度及速度的大小无关．命题视角1对惯性的理解(2020·湖南邵阳学业水平考试)关于惯性的大小，下面说法中正确的是()A．两个质量相同的物体，速度大的不容易停下来，所以速度大的物体惯性大B．在月球上举重比在地球上容易，所以质量相同的物体在月球上比在地球上惯性小C．推动地面上静止的物体，要比维持这个物体做匀速运动所需的力大，所以物体静止时惯性大D．两个质量相同的物体，不论速度大小，它们的惯性的大小一定相同[思路点拨] 惯性是物体本身的一种基本属性，其大小只与质量有关，质量越大、惯性越大；惯性的大小和物体是否运动、是否受力以及运动的快慢没有任何关系。

[解析]物体的惯性只与物体的质量有关，两个质量相同的运动物体，惯性大小相等，与速度和所处位置无关，故A、B、C错误，D正确．[答案] D命题视角2对惯性现象的分析如图所示，一个盛水的容器固定在一个小车上，在容器中分别用绳悬挂和拴住一只铁球和一只乒乓球．容器中的水和铁球、乒乓球都处于静止状态．当容器随小车突然向右运动时，两球的运动状况是(以小车为参考系)()A．铁球向左，乒乓球向右B．铁球向右，乒乓球向左C．铁球和乒乓球都向左D．铁球和乒乓球都向右[解析]静止的小车突然向右运动，即向右加速运动，由于与同体积的“水球”相比，铁球质量大、惯性大，铁球的运动状态难改变，即速度变化慢，而同体积的“水球”的运动状态容易改变，即速度变化快，而且水和车一起向右加速运动，所以当小车突然向右运动时，铁球相对于小车向左运动．同理，由于乒乓球与同体积的“水球”相比，质量小、惯性小，故乒乓球相对于小车向右运动．[答案] A1．惯性与惯性定律(1)惯性不是惯性定律．惯性没有条件限制，是物体的一种固有属性．(2)惯性定律是物体不受外力作用时物体运动所遵守的一条规律．2．惯性的表现形式(1)在不受力的条件下，惯性表现为保持原来的运动状态，有“惰性”的意思．(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，运动状态越难改变．3．惯性现象的分析方法(1)明确研究对象原来的运动状态．(2)明确当外力作用在该物体的某一部分(或外力作用在与该物体有关联的其他物体上)时，这一部分的运动状态的变化情况．(3)该物体由于惯性将保持怎样的运动状态，判断最后会出现什么现象．【通关练习】1．关于物体的惯性，下列说法中正确的是()A．射出枪膛的子弹在运动一段距离后连一件棉衣也穿不透，这表明它的惯性小了B．战斗机在空战时，甩掉副油箱是为了减小惯性，提高飞行的灵活性C．用力推一个物体，没有推动，原因是物体的惯性太大了D．高速公路上要限速，是因为车速越大惯性越大解析：选B.惯性是物体本身的一种属性，它不随物体速度的大小变化而变化，所以子弹运动一段距离后，速度变小了，高速公路上的限速等都不是因为物体的惯性发生了变化，所以A、D错误；而用力推一个物体时，没有推动，说明地面对物体有摩擦力的作用，而不是因为惯性太大了，所以C错误；战斗机甩掉副油箱减小了质量，而惯性与质量有关，质量越小惯性越小，改变它的状态就越容易，所以可以提高战斗机的灵活性，B正确．2．交通法规中规定，坐在小汽车前排的司机和乘客都应系上安全带，这主要是为了减轻在下列哪种情况出现时可能对人造成的伤害()A．车速太快B．车速太慢C．紧急刹车D．突然启动解析：选C.小汽车车速太快或太慢时，只要速度不发生变化，人就不会向前冲或向后仰，所以人不会受伤，故选项A、B不符合题意；当紧急刹车时，车停止而人由于惯性向前冲，安全带可以防止人冲向前而受伤，故选项C符合题意；突然启动时，人会向后仰，此时有靠背支撑，安全带不起作用，故选项D不符合题意．[随堂检测]1．(2020·厦门高一检测)在物理学史上，正确认识运动和力的关系且推翻“力是维持物体运动的原因”这个观点的物理学家和建立惯性定律的物理学家分别是()A．亚里士多德、伽利略B．伽利略、牛顿C．伽利略、笛卡儿D．亚里士多德、笛卡儿解析：选B.由物理学史可知，伽利略通过“理想斜面”实验推翻了“力是维持物体运动的原因”，而牛顿在大量实验的基础上，通过逻辑推理，归纳总结出了牛顿第一定律，即惯性定律．故选项B对，A、C、D错．2．(多选)(2020·惠州高一检测)关于牛顿第一定律，以下说法中正确的有()A．牛顿第一定律是依靠实验事实，直接归纳总结得出的B．牛顿第一定律是以可靠实验为基础，通过抽象出理想化实验而得出的结论C．根据牛顿第一定律可知，力是维持物体运动的原因D．根据牛顿第一定律可知，力是改变物体速度的原因解析：选BD.牛顿第一定律不是实验定律，但它是以可靠实验为基础，通过抽象出理想化实验而得出的结论，A错，B对；牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，指出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，C错，D对．3．(2020·天津市河西区高一模拟)如图所示月球车示意图，月球车能完成月球探测、考察、采集样品等任务，当它在月球表面行驶时()A．仍有惯性B．不受阻力C．不受支持力D．不遵循牛顿运动定律解析：选A.惯性是物体本身具有一种性质，与物体是否运动、是否受力等外界因素无关，物体在任何状态下、任何时候都有惯性，故A正确；当它在月球表面行驶时受支持力和阻力，故B、C错误；当它在月球表面行驶时遵循牛顿运动定律，故D错误．4．(2020·长春高一测试)对一些实际生活中的现象，某同学试图从惯性角度加以解释，其中正确的是()A．采用大功率的发动机后，某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度，这表明通过科学手段能使小质量的物体获得大的惯性B．射出枪膛的子弹在运动相当长一段距离后连一件棉衣也穿不透，这表明它的惯性小了C．货运列车运行到不同的车站时，经常要摘下或加挂一些车厢，这会改变它的惯性D．摩托车转弯时，车手一方面要控制适当的速度，另一方面要将身体稍微向里倾斜，通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的解析：选C.采用了大功率的发动机后，一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度，这是由于功率增大了，与惯性无关，A错误；射出枪膛的子弹在运动一段距离后连一件棉衣也穿不透，是由于速度减小了，子弹的惯性没有变化，B错误；货运列车运行到不同的车站时，经常要摘下或加挂一些车厢，此时列车质量改变了，它的惯性也会改变，C正确；摩托车转弯时，车手一方面要控制适当的速度，另一方面要将身体稍微向里倾斜，防止侧滑，而人和车的惯性并没有改变，D错误．5.如图所示，在一辆表面光滑的小车上，有质量分别为m1和m2的两个小球(m1>m2)随车一起匀速运动．当车突然停止时，如不考虑其他阻力，设车无限长，则两个小球()A．一定相碰B．一定不相碰C．不一定相碰D．难以确定解析：选B.因为小车表面光滑，因此，不论小车如何运动，两小球在水平方向均不受力，根据牛顿第一定律可知它们将保持匀速运动状态，又因为两球速度相等，故两球一定不会相碰．[课时作业][基础过关]1．(2020·吉林高一期末)关于惯性，下列说法中正确的是( )A ．同一汽车，速度越快，越难刹车，说明物体速度越大，惯性越大B ．物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性C ．乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球的惯性小D ．已知月球上的重力加速度是地球上的16，故一个物体从地球移到月球惯性减小为16解析：选C.惯性大小只与物体的质量有关，与其他因素无关，故A 错误；惯性是物体固有的属性，一切物体都有惯性，与运动状态无关，故B 错误；质量越小，惯性越小，运动状态越容易改变，乒乓球的惯性小，所以可以快速抽杀，故C 正确；一个物体的惯性的大小只与这个物体的质量有关，物体到了月球上，质量没有改变，所以惯性不会改变，故D 错误．2．火车在长直水平轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为( )A ．人跳起后，车厢内空气给他一个向前的力，带着他随同火车一起向前运动B ．人跳起的瞬间，车厢的地板给他一个向前的力，推动他随同火车一起向前运动C ．人跳起后，车在继续向前运动，所以人落下后必是偏后一些，只是由于时间很短，偏后距离太小，不明显而已D ．人跳起后直到落地，在水平方向上人和车始终有相同的速度解析：选D.人从跳起到落地的过程中，水平方向不受外力作用，保持着原来所具有的速度做匀速直线运动，所以仍落回车上原处．3．(多选)科学家关于物体运动的研究对树立正确的自然观具有重要作用．下列说法符合历史事实的是( )A ．亚里士多德认为，必须有力作用在物体上，物体的运动状态才会改变B ．伽利略通过“理想实验”得出结论：一旦物体具有某一速度，如果它不受力，它将以这一速度永远运动下去C ．笛卡儿指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向D ．牛顿认为，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质解析：选BCD.亚里士多德认为运动需要力来维持，伽利略认为力是改变物体运动状态的原因，A错误；伽利略通过“理想实验”得出结论：一旦物体具有某一速度，如果它不受力，它将以这一速度永远运动下去，B正确；笛卡儿指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向，C正确；牛顿认为，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，D正确．4．(多选)下列关于惯性的分析，正确的是()A．战斗机在空战时，甩掉副油箱是为了减小惯性，提高飞行的灵活性B．高速公路上要限速，是因为车速越大惯性越大C．机床安装在笨重的底座上，是为了增大惯性，提高稳定性D．坦克车制造的很重，是为了增大惯性，提高行驶的平稳度解析：选AC.战斗机甩掉副油箱，减小了质量，惯性减小，提高了飞行的灵活性，A对；惯性大小与速度无关，B错；机床与底座连成一体，质量大，惯性大，更稳定，C对；坦克车装甲厚重，是为了提高抗炮击能力，D错．5．如果物体运动状态发生了变化，说明该物体的()A．速度方向一定发生了变化B．速度大小一定发生了变化C．加速度一定发生了变化D．受到的合力一定不为0解析：选D.物体运动状态发生变化一定是它的速度发生了变化，可能是速度大小发生了变化，也可能是速度方向发生了变化，还可能是二者都发生了变化，既然物体运动速度发生了变化，即运动状态发生了变化，由牛顿第一定律知，物体所受合力一定不为0，物体具有加速度，但加速度不一定发生变化．故选项D正确．6.伽利略创造的把实验、假设和逻辑推理相结合的科学方法，有力地促进了人类科学认识的发展．利用如图所示的装置做如下实验：小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升．斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3.根据三次实验结果的对比，可以得到的最直接的结论是()A．如果斜面光滑，小球将上升到与O点等高的位置B．如果小球不受力，它将一直保持匀速运动或静止状态C．如果小球受到力的作用，它的运动状态将发生改变D．小球受到的力一定时，质量越大，它的加速度越小解析：选A.根据题意，铺垫材料粗糙程度降低时，小球上升的最高位置升高，当斜面绝对光滑时，小球在斜面上没有能量损失，因此可以上升到与O点等高的位置，而B、C、D三个选项从题目不能直接得出，所以选项A正确．7．以下说法中正确的是()A．掷出的铅球速度不大，所以其惯性小，可以用手去接B．用力打出的乒乓球速度很大，因此其惯性很大，不能用手去接C．相同的两辆车，速度大的比速度小的难以停下，是因为速度大的惯性大D．相同的两辆车，速度大的比速度小的难以停下，是因为速度大的运动状态变化大解析：选D.因为惯性的大小仅由质量决定，与物体速度大小无关，选项A、B错误；相同的两辆车惯性相同，速度大的比速度小的难以停下，是因为速度大的运动状态变化大，选项C错误，D正确．8.(2020·上饶高一检测)如图，桌面上有一光滑的木块，木块上有一小球，快速向右推动木块，小球的位置可能在桌面上的哪点()A．A点B．B点C．O点D．无法确定解析：选C.小球具有惯性，要保持原来的状态，在水平方向上不受摩擦力的作用，在重力的作用下，落在O点，故选C.9．一天下着倾盆大雨，某人乘坐列车时发现，车厢的双层玻璃窗内积水了．列车进站过程中(箭头表示列车进站的方向)，他发现水面的形状如选项图中的()解析：选C.列车进站时刹车，速度减小，而水由于惯性仍要保持原来较大的速度，所以水向前涌，水面形状和选项C中一致．10.如图所示，一木块和小车一起做匀速直线运动，当小车遇到一障碍物的瞬间，则：(设小车不反弹)(1)如果小车上表面粗糙，木块将如何运动？(2)如果小车上表面光滑，木块将如何运动？解析：当小车遇到障碍物时，小车将停止．。