粤教版高中物理必修一第一节 伽利略的理想实验与牛顿第一定律

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第一节伽利略的理想实验与牛顿第一定律本节要求我们认识理想实验是一种科学的假设实验，是有根据的，同时理解牛顿第一定律的内容；能用惯性解析问题。

一、学法指导

1．力和运动关系的两种观点

（1）亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因。（此观点错误）

（2）伽利略的观点：在水平面上做匀速运动的物体并不需要外力来维持。

2．伽利略的理想实验（又称假想实验图4-1，见课

本）

3、牛顿第一定律（即惯性定律）

（1）内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或

图4-1-

静止状态，直到有外力迫使它改变这种运动状态为止。

（2）意义：

它指出了一切物体都具有惯性

定律的前半句话“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，揭示了物体所具有的一个重要的属性──惯性，即物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。牛顿第一定律指出一切物体在任何情况下都具有惯性，因此牛顿第一定律又叫惯性定律。

（2）它指出了力是产生加速度的原因。

定律的后半句话“直到有外力迫使它改变这种运动状态为止”，实际上是对力的定义，力不是使物体运动或维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因，换言之，力是产生加速度的原因。

（3）定性地揭示了力和运动的关系

牛顿第一定律指出物体不受外力作用时的运动规律，它描述的只是一种理想状态，而实际中不受外力作用的物体是不存在的，当物体所受外力合力为零时，其效果跟不受外力作用相同。因此，我们可以把“不受外力作用”理解为“合外力为零”。

（4）牛顿第一定律给出了惯性系。

我们乘坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察周围的现象，将看到路边的树木、房屋朝后方

加速运动，但它们确实未受到任何推力。故在加速车厢内观察现象，与牛顿第一定律相矛盾。牛顿第一定律能成立的参考系叫做惯性参考系或惯性系。一般说来，地球是一个惯性系。

在讨论运动学问题时，我们可以为了方便自由地选择参考系，但是在动力学问题中，便没有这种自由选择的权利了。

4．对惯性的认识

惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。惯性与运动状态无关，不论物体是处于怎样的运动状态，惯性总是存在的。当物体原来静止时，它一直“想”保持这种静止状态；当物体运动时，它一直“想”以那一时刻的速度做匀速直线运动。当物体做变速运动时，可以从以下三个方面理解惯性：首先，运动中的任一时刻撤去外力，物体立刻开始以该时刻的速度做匀速直线运动。其次，无论外力多大，方向如何，物体的速度也不会发生突变，都得在原速度的基础上逐渐改变，改变后的速度是原速度的“继承和发展”。最后，质量的大小还直接影响运动状态改变的快慢。质量大，运动状态就越难改变。例如，宇航员背着质量很大的背包到月球上去探险，由于月球引力小，背起来并不吃力，但走起路来却要十分小心，不能突然移动或突然停止，因为背包轻了，但惯性并没有减小，质量很大的背包具有很大的惯性。如果宇航员突然停下来，大背包还会靠惯性向前移动，宇航员就会向前跌倒。

5．惯性和惯性定律的区别

牛顿第一定律称为惯性定律，该定律给出了惯性的概念，但惯性和惯性定律是不同的，它们的区别在于：其一，惯性定律是物体的运动规律，惯性是物体的固有属性；其二，惯性定律是有条件（不受力或合外力为零）的，惯性是无条件的，一切物体在任何情况下都有惯性。

二、例题分析

【例1】关于牛顿第一定律的下列说法中，正确的是（）

A．牛顿第一定律是实验定律

B．牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因

C．实际上不存在不受外力作用的物体，所以牛顿第一定律没有意义

D．物体的运动不需要力来维持

【解析】牛顿第一定律是指物体在理想条件下的运动规律，反映的是物体在不受力的情况下所遵循的运动规律，而自然界中不受力的物体是不存在的，该定律是在科学的抽象思维下，运用理想化实验推论得到的，因此该定律不属于实验定律。A错误。由于不受外力和合外力为零效果相同，所以仍有实际意义。C错误。牛顿第一定律揭示了力和运动的关系，物体的运动不需要力来维持，但要改变物体的运动状态则必须有力的作用，所以B、D正确【答案】B D

评注：掌握牛顿第一定律的本质，不要只是背诵定律内容，知道力是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律不能用实验证明，但它是建立在大量实验基础上，通过思维的逻辑推理而得出的正确结论。

【例2】关于牛顿第一定律，下列说法正确的是（）

A．牛顿第一定律说明了物体不受外力作用时的运动规律

B．物体受到外力的作用，其运动状态必定发生变化

C．一个人手拿小球从高处释放，空气阻力忽略不计，在松手的瞬间，小球静止。

D．力停止作用后，物体就会慢慢停下来。

【解析】由牛顿第一定律可知，物体不受外力时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，因此选项A正确。当物体所受合外力为零时，相当于不受外力，运动状态不会发生改变，选项（B）错误。，忽略空气阻力，松手后小球做自由落体运动，整个过程受重力作用，松手的瞬间小球所受合外力不为零，不能看做静止状态，选项（C）错误。因力停止作用后，物体将保持原来的运动状态继续运动下去，故选项（D）错误。

【答案】A

评注：牛顿第一定律说明了物体不受外力时的运动规律，但不受外力在现实生活中是不可能的。因为物体所受合外力为零与不受外力是完全等效的，所以在实际处理问题时，往往认为物体所受合外力为零时保持匀速直线运动状态或静止状态。

【例3】下列说法哪些是正确的（）

A．物体能够做自由落体运动是由于惯性

B．竖直向上抛出的物体能够上升是由于受到向上的惯性力的作用

C．铁饼运动员抛出的铁饼是靠惯性飞向远处的

D．一般情祝下，相扑运动员的惯性大于体操运动员的惯性

【解析】做自由落体运动的物体，受到重力的作用，速度由零开始逐渐增大；而惯性是物体保持静止或匀速直线运动状态的性质，因此选项A错误。竖直向上抛出的物体，抛出后只受重力，没有任何物体对它施加一个竖直向上的力，小球抛出时具有初速度，由于惯性会继续向上运动，因此选项B错误。同样的道理，抛出的铁饼具有初速度，由于惯性继续飞行，因此选项C正确。体操运动员要求有灵活的动作表现，而相扑运动员则不希望被别人摔倒，所以，体操运动员的质量比相扑运动员要小得多，而质量是物体惯性大小的唯一量度，所以相扑运动员的惯性比体操运动员的惯性大，因此选项D正确。【答案】CD

评注：惯性是物体保持原有运动状态不变的性质，而不是一种力。任何一个力必须存在施力物体。

三、跟踪训练

L．伽利略在研究力与运动的关系时，把_____________的方法引入了物理学。2.伽利略构想的理想实验以_____________的事实为基础，忽略次要因素，把实验与_____________和谐地结合在一起，其科学探究的方法有力地推动了科学的发展。

2．牛顿第一定律揭示了力的本质是─—改变物体运动状态的原因，而不是_____________物体运动状态的原因。

3．物体保持_____________状态或_____________状态的特性叫惯性，惯性是物体的