知识讲解牛顿第一定律

知识讲解牛顿第一定律

牛顿第一定律 【学习目标】 1.理解牛顿第一定律的内容和意义，知道亚里士多德的观点． 2.知道伽利略理想实验及推理方法． 3.明确惯性概念，知道惯性是物体的固有属性． 【要点梳理】 要点一、伽利略的理想斜面实验 要点诠释： 如图甲所示，让小球沿一个斜面从静止滚下，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． 如果第二个斜面倾斜角度较小如图乙，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更长的路程，继续 减小第二个斜面的倾斜角度，如图丙，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，而沿水平面 以恒定的速度持续运动下去． 伽利略的思想方法: 伽利略用“实验+科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点． 伽利略的理想斜面实验虽然是想象中的实验，但这个实验反映了一种物理思想，它是建立在可靠的事 实基础之上的．以事实为依据，以抽象为指导，抓住主要因素，忽略次要因素，从而深刻地揭示了自然规 律． 要点二、牛顿第一定律的理解 要点诠释： 牛顿总结了伽利略等人的工作，并提出了三条运动定律，统称为牛顿运动定律. 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)对牛顿第一定律应从以下几个方面来理解： ①明确了惯性的概念 定律的前半句话“一切物体总保持匀速直线运动或静止状态”，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确定了力的含义 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，即力是改变物 体运动状态的原因，并不是维持物体运动的原因，这一点要切实理解． ③定性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，当物体所受合外力为零时，其效果跟不受外力的作用相同．但是，我们不能把“不 受外力”理解为“合外力为零”． 要点三、惯性与质量 要点诠释： （1）惯性现象 惯性现象到处可以见到，例如：如图所示，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，用小棒猛击塑料板，塑料板离杯飞出，鸡蛋却稳稳地落入杯中． 这个实验说明了什么问题? 再如：如图甲，小车上放置一个带轮的木块，使带轮木块与小车一起向右运动．当小车被挡板制动时， 观察会出现什么现象? 又如：如图乙，小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被挡板制动时， 车上的木块向右倾倒． 这是怎么回事呢? 这些都是惯性现象． (2)惯性：物体的这种保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性． 【说明】①惯性与是否受力无关，与速度大小无关． ②惯性的具体表现形式有两种： a．当物体不受外力或所受合外力为零时，惯性表现为保持原来的运动状态不变．原来静止的物体保 持静止，原来运动的物体保持原来的速度继续运动． b．当物体受到外力作用时，惯性表现为改变运动状态的难易程度，物体的惯性越大，它的运动状态 越难改变． (3)惯性与质量 惯性的大小由什么决定呢?惯性的大小又意味着什么呢? 我们知道，推动一辆自行车要比推动一辆汽车容易得多．这表明质量越大的物体，运动状态越难改变， 也就是说该物体的惯性越大；而质量较小的物体，运动状态较容易改变，也就是该物体的惯性较小．即： 质量是物体惯性大小的量度，而一个物体惯性的大小，则意味着改变物体运动状态的难易程度． 对质量的理解： 从物质角度理解：质量为物体所含物质的多少 从惯性角度理解：质量是决定物体惯性大小的唯一因素． 【注意】惯性是一个重要的概念，在学习时，许多同学对惯性存在着一些错误认识：如认为做匀速直 线运动的物体，才有惯性，做变速运动的物体没有惯性；物体在匀速直线运动或静止时有惯性，一旦速度 改变了就没有惯性；或把惯性看成一种力，认为物体保持原来运动状态是因为受到惯性力；认为物体的速 度越大，物体的惯性就越大等等其实惯性是一切物体的固有属性，与物体的运动状态以及是否受力没有关 系，仅由物体的质量决定． 要点四、理解惯性和惯性定律 要点诠释： (1)对惯性定律的理解 牛顿第一定律揭示了一切物体都具有保持原来运动状态不变的性质，即一切物体都具有惯性．同时， 牛顿第一定律还定性地指出了力的动力学意义：力是改变物体运动状态的原因，即改变速度的原因．物体 在速度发生改变时，就有加速度．因此也可以说：力是使物体产生加速度的原因．不能认为力是维持物体 运动(匀速直线运动)的原因，也不能认为有力就有运动，没有力就没有运动，更不能认为物体向哪个方向 运动一定受到那个方向的力的作用． (2)对惯性的理解 ①惯性是物体的固有属性：一切物体都具有惯性． ②惯性与运动状态无关：不论物体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． ③惯性与物体是否受力无关，与物体速度大小无关，仅由物体的质量决定． 要点五、理解物体运动状态改变的表现形式 要点诠释： “速度”是描述物体运动快慢程度的物理量，即是描述物体“运动状态”的物理量．因此，“物体运动 状态改变”即是“物体速度改变”，有以下几种表现形式： (1)速度 v 的大小改变而方向不变； (2)速度 v 的大小不变而方向改变； (3)速度 v 的大小和方向都发生改变； (4)物体运动的位移非均匀地增加(或减少)； (5)物体运动的轨迹发生弯曲． 要点六、利用惯性解释有关现象 要点诠释： 运用惯性解释有关现象时，通常可按下面的步骤思考解析： (1)明确研究的物体原来处在怎样的运动状态． (2)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． 【例】2005 年 1 月在南京举行的全国运动会上，山东选手刑慧娜与金牌失之交臂，据报道原因是刑慧 娜在奔跑的过程中和别人发生了绊脚现象．从生活的经验我们知道，在路上跑的人被绊倒时，和慢走的人 滑倒时，会发生不同现象．试根据所学知识完成下表． 跑的人 慢走的人 绊倒时的现象 上身向前趴着倒下 上身向后仰着倒下 原因分析 【解析】跑的人被绊倒时，脚因受力停止了运动，而身体上半部分由于惯性继续向前运动，上身快而 下身慢，故向前趴着倒下；慢走人的前脚落地前同时参与随身体向前的匀速运动和绕关节向前的圆周运动， 速度的水平分量大于身体的速度．正常行走时，前脚落地后受摩擦阻力作用速度马上减为零，随即后脚撤 去支撑，后脚抬起且节奏均匀．滑倒时，多是前脚落地受摩擦力不足，速度未能迅速减小为零，但后脚按 节奏抬起撤去支撑，前脚向前滑动的速度大于上半身因惯性保持的速度，而造成向后仰着摔下． 【典型例题】 类型一、理想实验 例 1、关于伽利略理想实验，下列说法正确的是（ ） A．完全是理想的，没有事实为基础 B．是以可靠事实为基础的，经科学抽象，深刻反映自然规律的 C．没有事实为基础，只是理想推理 D．以上说法都不对 【答案】B 【解析】伽利略的理想实验是经过科学抽象，能深刻反映自然规律。 【总结升华】理想实验只是不能通过实验实现，但只要是建立在可靠事实基础上，就能揭示自然规律。 举一反三 【变式】科学思维和科学方法是我们认识世界的基本手段，在研究和解决问题过程中，不仅需要相应 的知识，还要注意运用科学的方法。理想实验有时更能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，其中有一个是经验事实，其余是推论。 ①减小第二个斜面的倾角，小球在这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，小球要沿水平面做持续的匀速运动. 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 【答案】②③①④ B 【解析】该实验是让一个静止的小球从一个斜面滚下，滚上另一个对接的斜面。如果没有摩擦，小球将上 升到原来滚下时的高度，在这个实验的基础上进行合理的推论：逐步减小倾角，直至水平，小球将沿水平 面以恒定的速度运动下去。所以理想实验设想的步骤顺序应该是：②③①④。其中②是事实，③①④是推 论。 类型二、对牛顿第一定律的理解 例 2、如图所示，在一辆表面光滑且足够长的小车上，有质量为 m1 和 m2 的两个小球(m1＞m2)，两小球原 来随车一起运动．当车突然停止时，若不考虑其他阻力，则两个小球( ) A．一定相碰 B．一定不相碰 C．不一定相碰 D．无法确定 【答案】B 【解析】小车表面光滑，因此球在水平方向上没有受到外力作用．原来两球与小车有相同速度，当车突然 停止时，因为惯性，两小球的速度不变，所以不会相碰． 【总结升华】当物体不受外力，或所受合外力为零时，物体都将保持原来的速度运动．这是物体具有惯性 的原因． 举一反三 【变式】下列说法正确的是（ ） A．如果物体在运动，那么它一定受到力的作用 B．力是使物体做变速运动的原因 C．撤去作用力，运动的物体最终总要停下来 D．力只能改变物体运动速度的大小 【答案】B 【解析】运动的物体不一定受到力的作用，可能物体具有速度，由于惯性，物体可以一直运动。撤去力， 物体有可能保持原来的速度匀速直线运动。力不仅可以改变速度的大小还可以改变速度的方向。力是改变 物体运动状态的原因。 类型三、惯性与质量 例 3、关于物体的惯性，下列说法正确的是（ ） A.只有处于静止状态或匀速直线运动状态的物体才具有惯性 B.物体做变速运动时，其惯性也不断变化 C.惯性的大小和物体的速度有关，速度大惯性大 D.质量是物体惯性大小的唯一量度 【答案】D 【解析】惯性是指物体保持原来的静止状态或匀速直线运动状态的性质，一切物体都有惯性，物体的惯性 和物体的运动状态、受力情况无关，质量是物体惯性大小的唯一量度，选项 D 正确。 【总结升华】惯性是物体本身固有的属性。惯性的大小只与质量有关，与物体所处的状态没有关系。 举一反三 【变式 1】下列关于惯性及有关现象的说法中正确的是：（ ） A.人在走路时没有惯性，被绊倒时才有惯性 B.物体在不受外力作用时有惯性，受到外力作用后惯性就改变了 C.参加百米赛跑的运动员到达终点时不能立即停下来，是由于惯性 D.向上抛出的球，受的重力向下，但还向上运动，也是由于惯性的缘故 【答案】CD 【解析】惯性是物体的根本属性，惯性的大小只与物体的质量有关，与物体所处的状态、运动情况、受力 情况都无关，故 A、B 错误；C、D 选项所述的现象都是惯性的缘故，故 C、D 正确。 【变式 2】下列说法正确的是( ) A．掷出的铅球速度不大，所以其惯性很小，可以用手去接 B．用力打出乒乓球速度很大，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，是因为速度大的车惯性大 D．相同的两辆车，速度大的比速度小的难以停下，是因为速度大的车状态变化大 【答案】D 【解析】因为惯性的大小仅由质量来决定，铅球质量很大，其惯性大，尽管速度不大，但是运动状态很难 改变。故不能用手接而乒乓球则与其相反，运动状态容易改变，尽管速度大，也可以用手去接(这一点同 学们都有经验)，所以 A、B 是错误的．对于 C、D，相同的两辆车惯性相同，要让速度大的车停下来，其 运动状态变化大，因此较难，故 D 正确． 【高清课程：牛顿第一定律 例 1】 【变式 3】下列说法正确的是（ ） A．惯性是只有物体在匀速运动或静止时才表现出来的性质 B．物体的惯性是指物体不受外力作用时仍保持原来直线运动状态或静止状态的性质 C．物体不受外力作用时保持匀速直线运动状态或静止状态，有惯性；受外力作用时，不能保持匀速直线 运动状态或静止状态，因而就无惯性 D．惯性是物体的属性，与运动状态和是否受力无关 【答案】D 类型四、物体运动状态改变的表现形式 例 4、如果物体运动状态发生了变化，说明该物体( ) 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．受到的合外力一定不为零 【答案】D 【解析】物体运动状态发生变化一定是它的速度发生变化，可能是速度大小、也可能是速度方向、还有可 能是二者一起发生变化，既然物体运动速度发生变化，物体一定产生了加速度．由牛顿第一定律知，物体 所受合外力一定不为零，使物体速度发生改变，但有可能是匀变速运动，速度不断变化，加速度不变，故 选 D． 【总结升华】弄清物体运动状态改变的表现形式是解决此题的关键． 举一反三 【变式 1】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 【答案】A 【解析】本题考查了惯性的概念．由牛顿第一定律可知，小球在水平桌面向前匀速运动．小球的运动以车 为参考系，小球按图示轨迹运动．由于小球匀速运动，判断车的运动时以小球为参考系，由图可知，列车 相对小球向南运动，同时车相对小球沿车运动的反方向运动，故知车做减速运动．所以选项 A 正确． 【变式 2】如图所示，一个劈形物体 A，各面均光滑，放在固定的斜面上，上表面水平，在上表面上放一 个光滑的小球 B，劈形物体从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是( ) A．沿斜面向下的直线 B．竖直向下的直线 C．无规则曲线 D．抛物线 【答案】B 【解析】本题考查力和物体运动状态变化的关系．力是改变物体运动状态的原因，物体不受力将保持原来 的静止或匀速直线运动状态．由于劈形物体 A 各面均光滑，所以小球 B 在水平方向上不受力作用，故小球 B 在水平方向上将保持“静止”状态，小球 B 由于在竖直方向上受到重力和物体 A 的支持力作用，运动状 态改变做竖直方向的运动． 【高清课程：牛顿第一定律 例 4】 【变式 3】做自由落体运动的物体，如果下落过程中某时刻重力突然消失，物体的运动情况将是（ ） A．悬浮在空中不动 B．速度逐渐减小 C．保持一定速度向下匀速直线运动 D．无法判断 【答案】C 类型五、利用惯性解释有关现象 例 5、在车厢的顶板上用细绳挂着一个小球，如图所示，在下列情况下可对车厢的运动情况得出怎样的判 断：(1)细线竖直悬挂________．(2)细线向图中左方偏斜________． 【答案】(1)车厢静止或做匀速直线运动 (2)车厢水平向右加速运动或向左减速运动 【解析】作用在小球上只能有两个力：小球所受的重力 mg、细线对它的拉力 F．根据这两个力是否处于平 衡状态，可判断小球所处的状态，从而可得出车厢的运动情况． (1)当细线竖直悬挂时，小球所受重力 mg 和拉力 F 在一直线上，如图甲所示，且小车在上下方向不可 能运动，所以小球水平方向不受外力，小球处于平衡状态，车厢静止或做匀速直线运动． (2)当细线左偏时，小球所受重力 mg 和拉力 F 不在同一直线上，如图乙所示，小球不可能处于平衡状 态．因为力是使物体产生加速度的原因，小球一定向着所受合力方向(水平向右)产生加速度，所以车厢水 平向右做加速运动或水平向左做减速运动． 举一反三 【变式 1】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图所示中的( ) 【答案】C 【解析】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，液面形状 和选项 C 中一致． 【变式 2】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在空中的排列情况是图中的( ) 【答案】B 【解析】飞机上释放(非抛出)的球都具有与飞机相同的水平速度，在水平方向上，a、b、c 三个球以相同 的速度做匀速直线运动，故三个球一定在飞机的正下方，三球连线是一条竖直线．