高一物理人教版必修1学案第四章1-牛顿第一定律

第四章运动和力的关系1．牛顿第一定律一、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，物体就要静止在某个地方。2．笛卡儿的观点：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，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。滑冰运动员如果不用力，思考一下她慢慢停下来的原因。提示：滑冰运动员受到摩擦力的作用。3．伽利略理想实验(1)装置：(2)事实：让一个小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一个斜面。(3)假设：如果没有摩擦，小球将到达原来的高度。如果第二个斜面倾角减小，小球仍将到达原来的高度，但是运动的距离更长。(4)推断：当斜面变为水平面时，小球要达到原有高度将永远运动下去。(5)结论：力不是维持物体运动的原因。二、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，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。2．惯性：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。3．运动和力的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。三、惯性与质量1．惯性的量度：质量是描述物体惯性大小的物理量，质量大，惯性大。2．质量：①质量是标量，只有大小没有方向。②质量的单位：国际单位是千克，符号为kg。如图为参加百米比赛的运动员们，他们在冲刺的瞬间，惯性如何变化？提示：惯性不变某同学学习牛顿第一定律后，总结出以下结论：①物体运动状态的改变指的是速度的改变。②物体运动状态发生改变，物体可以不受力③物体运动的速度越大，其惯性越大④物体受力越大，其惯性不一定越大⑤在水平面上滚动的铅球最终停下来，是由于没有外力维持铅球运动。你的判断：正确的结论有①④。1．锤头松了，锤柄在板凳上撞几下，锤头就紧紧套在锤柄上。思考：是锤头在下效果好，还是锤柄在下效果好？为什么？提示：锤柄在下效果好。锤头的质量大，惯性大，能够相对运动得更远。2．让一个人躺在两个凳子上，找一块大石头压在人身上，然后另一个人用大锤砸石头，把石头砸成几块。思考：这个节目所选石头，在人能承受的范围内，是越大越好还是越小越好？为什么？提示：因为石头质量越大，其惯性就越大。石头的运动状态就越难改变，所以人受到的冲击力越小，故节目所选石头越大越好。一、伽利略理想实验(科学探究)在伽利略的斜面实验中，当斜面变为水平面时，小球要达到原有高度将永远运动下去。在现实生活中可能发生吗？为什么？提示：不可能发生。因为在现实生活中，摩擦是不可避免的。1．伽利略理想实验的意义：(1)伽利略用“实验和科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点。(2)第一次确立了物理实验在物理学研究中的基础地位。(3)揭示了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。2．真实实验与理想实验的比较：真实实验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。理想实验理想实验是一种思维活动，是从抽象思维中设想出来的、无法做到的实验。理想实验是以可靠的实验事实为基础的。【典例】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，下面对如图所示的斜面实验的设想步骤中，有一个是可靠事实，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，最后使它变成水平面，小球将沿水平面做持续的匀速直线运动。(1)请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列：____________(填写序号即可)。(2)将上述设想步骤中的可靠事实和理想化推论进行分类。属于可靠事实的步骤是__________；属于理想化推论的步骤是____________。【解析】伽利略理想实验是在可靠事实的基础上进行合理的推理，将实验理想化，并符合物理规律，得到正确的结论。②是可靠事实，因此放在第一步，①③④是在无摩擦情况下的理想化推论。答案：(1)②③①④(2)②①③④理想实验的两点说明：(1)伽利略的理想实验是伽利略在实验事实的基础上塑造的一种理想过程。它以科学实验为基础，以科学事实为根据，突出主要因素，忽略次要因素，是运用逻辑推理揭示物理知识的内在联系、发现物理规律的重要方法。(2)“理想实验”的研究方法在自然科学的理论研究中有着重要的作用。但是，“理想实验”的方法也有其一定的局限性，由“理想实验”所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验。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，没有以事实为基础，只有理想推理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．证实了亚里士多德关于力与运动的关系D．证实了自由落体运动是匀变速直线运动【解析】选B。伽利略在研究力与运动的关系时，是在斜面实验的基础上，成功地设计了理想斜面实验，他以实际的实验为依据，抓住了客观事实的主要因素，忽略了次要因素，从而能够更深刻地揭示自然规律。因此，理想实验是实际实验的简化，是建立在实际事实基础上的合乎逻辑的科学推断，更深刻反映自然规律，故选项A错误，B正确；伽利略理想实验否定了亚里士多德关于力与运动的关系，即否定了力是维持物体运动的原因的理论，故C错误；伽利略理想实验并没有证实自由落体运动是匀变速直线运动，故选项D错误。2.(多选)如图所示的装置可以演示伽利略的理想斜面实验，装置为两个对接的斜面，让小球沿左边的斜面滚下，并滚上右边的斜面，然后改变右边斜面的倾角，重复操作，利用曝光频率一定的相机拍下小球在运动过程中的图片，则()A．该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据，因此牛顿第一定律是实验定律B．由图可知小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小，因此证实了“物体的运动需要力维持”C．当右侧的斜面水平时，小球近似做匀速直线运动，说明“如果没有外力的作用，小球将在水平面上永远运动下去”D．如果没有摩擦，小球在右边的斜面上将运动到与左边释放点相同的高度【解析】选C、D。该实验为牛顿第一定律的提出，提供了有力的依据，但没有摩擦力，只是一种假设，所以该实验是一种理想化实验，牛顿第一定律不是实验定律，所以A错误；小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小是因为受力的作用，说明力是改变物体运动状态的原因，B错误；根据实验，右侧的斜面水平时，小球近似做匀速直线运动，如果没有外力作用，小球将在水平面上永远运动下去，故C正确；如果没有摩擦，小球一定会上升到相同的高度，D正确。【补偿训练】1．伽利略理想实验揭示了()A．若物体运动，那么它一定受力B．力不是维持物体运动的原因C．只有受力才能使物体处于静止状态D．只有受力才能使物体运动【解析】选B。伽利略理想实验指出：如果水平面没有摩擦，那么在水平面上的物体一旦获得某一速度，物体将保持这一速度一直运动下去，而不需要外力来维持，故A、D错误；运动和静止都不需要力来维持，故B正确，C错误。2．(多选)我们已经体会了伽利略的理想实验的魅力。在物理学的重大发现中科学家们还创造出了许多其他的物理学方法，以下关于所用物理学研究方法的叙述正确的是()A．在不需要考虑物体本身的大小和形状时，用质点来代替物体的方法叫假设法B．推导瞬时速度定义式时v＝eq\f(Δx,Δt)，当Δt非常非常小时，就可以用eq\f(Δx,Δt)表示物体在t时刻的瞬时速度，这是应用了极限思想方法C．玻璃瓶内装满水，用穿有透明细管的橡皮泥封口。手捏玻璃瓶，细管内液面高度变化，说明玻璃瓶发生形变。该实验采用放大的思想方法D．在推导匀变速运动位移公式时，把整个运动过程划分成很多小段，每一小段近似看作匀速直线运动，然后把各小段的位移相加，这里采用了微元法【解析】选B、C、D。质点采用的科学方法为建立理想化的物理模型的方法，故A错误；为研究某一时刻或某一位置时的速度，我们采用了取时间非常小，即让时间趋向无穷小时的平均速度作为瞬时速度，即采用了极限思维法，故B正确；玻璃瓶内装满水，用穿有透明细管的橡皮泥封口，手捏玻璃瓶，细管内液面高度变化，说明玻璃瓶发生形变。该实验采用放大的思想方法，故C正确；在探究匀变速运动的位移公式时，采用了将变速运动无限微分后变成了一段段的匀速运动的方法，即采用了微元法，故D正确。二、牛顿第一定律(物理观念——运动与相互作用观念)如图所示，运动员穿上速滑冰刀鞋，获得一定的速度可以在冰面上滑行很远的距离，这是为什么？提示：因为冰刀与冰间的摩擦力很小，运动员速度减小得很慢，所以可以滑很远的距离。1．运动状态变化的三种情况：(1)速度的方向不变，大小改变。(2)速度的大小不变，方向改变。(3)速度的大小和方向同时发生改变。2．对牛顿第一定律的理解：(1)明确了惯性的概念：牛顿第一定律的前半句话“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，表明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)揭示了力和运动的关系：牛顿第一定律的后半句话“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”，实质上是揭示了力和运动的关系，即力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动的原因。(3)反映了物体不受外力时的运动状态：匀速直线运动状态或静止状态(即原来运动的保持其速度不变，原来静止的保持静止)。不受外力作用的物体是不存在的，但物体所受外力的合力为零与不受外力在效果上是等效的，这就使牛顿第一定律具有了实际意义。【典例】如图，一个劈形物体M(各面均光滑)放在固定的斜面上，上表面水平，在其上表面放一个光滑小球m。劈形物体由静止开始释放，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．无规则的曲线 D．抛物线【解析】选B。由于小球处在物体M上，接触面光滑，在物体M下滑过程中，小球在水平方向上不受外力作用，则小球在水平方向上保持原来的静止状态，仅沿竖直方向运动，故B正确。应用牛顿第一定律解题的步骤(1)看物体原来的运动状态；(2)看物体现在的受力情况及所受合力是否为零；(3)判断由于物体具有惯性将会出现的现象。1．关于运动状态的改变，下列说法中正确的是()A．只要物体的速度大小不变，运动状态就不变B．若物体的位移变化，物体的运动状态一定改变C．若物体受到几个力的作用，其运动状态一定改变D．物体的合外力为零，物体的运动状态一定不变【解析】选D。运动状态的特征物理量是速度，速度是矢量，速度大小和方向都不变时运动状态才不变，位移变化而速度不变，说明运动状态不改变。故A、B错误；力是改变物体运动状态的原因，物体受到多个力作用时，若合力为零，运动状态就不变，故C错误，D正确。2．如图，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)，两个小球随车一起运动，当车突然停止运动时，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【解析】选B。小车表面光滑，因此两小球在水平方向上没有受到外力的作用。原来两个小球与小车具有相同的速度，当车突然停止运动时，由于惯性，两个小球的速度不变，所以不会相碰，故B正确。【补偿训练】1．下列说法正确的是()A．牛顿第一定律是科学家凭空想象出来的，没有实验依据B．牛顿第一定律无法用实验直接验证，因此是不成立的C．理想实验的思维方法与质点概念的建立一样，都是一种科学抽象的思维方法D．由伽利略的理想实验可知，运动的物体一定不受外力作用【解析】选C。牛顿第一定律是在实验的基础上经过科学的推理而得出的，不能用实验直接验证，但它不是凭空想象出来的，是经受了实践的检验的，故选项A、B错误；理想实验的思维方法与质点概念的建立一样，都是一种科学抽象的思维方法，故选项C正确；牛顿第一定律认为，“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态”，但不受力的物体很少出现，静止的物体也可能是受到的合外力等于0，故选项D错误。2．(多选)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的作用时的运动规律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，由于遇到障碍而被绊倒，这是因为他受到外力作用，迫使他改变原来的运动状态【解析】选A、B、D。牛顿第一定律反映了物体在不受外力作用时将保持匀速直线运动状态或静止状态，故A正确；不受外力作用时，由于惯性的作用，物体的运动状态保持不变，故B正确；水平地面上的木块最终要停下来，是因为木块受到了摩擦力的作用，故C错误；力是改变物体运动状态的原因，故物体运动状态发生改变时，一定受到了外力的作用，飞跑的运动员，由于遇到障碍而被绊倒，这是因为他受到外力作用，迫使他改变原来的运动状态，故D正确。三、惯性和质量(科学思维——科学推理)如图，将玻璃瓶、胶带(表面光滑)、粉笔从下到上叠放在一起，如果迅速将胶带沿水平方向抽出，粉笔将会怎样运动？提示：竖直落入玻璃瓶中。1．惯性的理解：(1)惯性是物体保持原来运动状态的一种性质，是物体维持运动状态的原因。(2)一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。2．惯性的表现形式：(1)物体不受力时，惯性表现为保持原来的运动状态。(2)物体受力且合力不为零时，物体仍然具有惯性，此时惯性表现为物体运动状态改变的难易程度，惯性越大，物体运动状态越难改变。3．四个关系：惯性与质量的关系质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大。惯性与力的关系惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，惯性大小与物体的受力情况无关。惯性与速度一切物体都有惯性，惯性大小与物体是否有速度及速度的大小无关。惯性与惯性定律惯性是物体具有的一种固有属性；惯性定律是物体不受外力时所遵循的一条规律，惯性定律揭示了物体的惯性。质量是物体惯性大小的唯一量度。【典例】月球表面上的重力加速度为地球表面上的重力加速度的eq\f(1,6)，同一个飞行器在月球表面上与在地球表面上相比较()A．惯性减小eq\f(1,6)，重力不变B．惯性和重力都减小为在地球表面时的eq\f(1,6)C．惯性不变，重力减小为在地球表面时的eq\f(1,6)D．惯性和重力都不变【解析】选C。物体的惯性大小仅与物体的质量有关，同一物体的质量与它所在位置及运动状态无关，所以这个飞行器从地球到月球，其惯性大小不变。这个飞行器在月球表面上的重力为G月＝mg月＝m·eq\f(1,6)g地＝eq\f(1,6)G地，故选项C正确。惯性、质量和重力(1)质量是惯性大小的唯一量度。(2)质量不随物体所处位置的变化而变化，重力由质量和重力加速度决定。1.如图是运动员在比赛中的场景，下列说法正确的是()A．乒乓球速度越大，惯性越大B．击球时，球和球拍都会发生弹性形变C．球在空中运动时，运动状态不变D．球被水平击出后，若所受外力全部消失，球将立即竖直下落【解析】选B。惯性只与质量有关，与速度无关，故选项A错误；击球时，球和球拍相互接触且相互作用，属于弹力，都是由于弹性形变产生，故选项B正确；球在空中运动，速度大小和方向都在发生变化，故选项C错误；球被水平击出后，若所受外力全部消失，球将以原来的速度大小和方向做匀速直线运动，故选项D错误。2．我国道路交通安全法中规定各种小型车辆前排乘坐的人包括司机必须系好安全带。从高一物理知识的角度看，这是因为()A．系好安全带可以减小人的惯性B．系好安全带可以增大人的惯性C．系好安全带可以防止因人的惯性而造成的伤害D．系好安全带可以让人更加舒适【解析】选C。质量是物体惯性大小的唯一量度，系好安全带不可以改变人的惯性，故A、B错误；安全带系在人的身上，对人有一定的作用力，可以改变人的运动状态，所以系好安全带可以防止因人的惯性而造成的伤害，故C正确，D错误。【拔高题组】1．下列关于惯性的说法正确的是()A．跳远运动员可通过助跑来增大惯性B．汽车匀速运动时惯性小，急刹车时惯性大C．匀速前进的火车上，由于惯性，原地向上起跳的乘客将落在起跳点D．向东行驶的汽车突然刹车，由于惯性，乘客会向西倾倒【解析】选C。质量是惯性大小的唯一量度，惯性大小与速度无关，跳远运动员助跑只能增加速度，不能改变质量，故不能改变惯性大小，故A错误；质量是惯性大小的唯一量度，惯性大小与速度无关，故汽车匀速运动与急刹车时惯性一样大，故B错误；匀速前进的火车上，人与火车同速，由于惯性，原地向上起跳的乘客将落在起跳点，故C正确；向东行驶的汽车突然刹车，由于惯性，乘客的速度将大于汽车的速度，所以乘客会向东倾倒，故D错误。2．两辆汽车在平直公路上匀速行驶。关于它们的惯性大小，下列说法正确的是()A．速度大的汽车惯性一定大B．速度小的汽车惯性一定大C．质量大的汽车惯性一定大D．质量小的汽车惯性一定大【解析】选C。物体的惯性与物体的运动状态无关，只与质量有关，故选项A、B错误；物体的惯性只与物体的质量有关，质量越大，惯性越大，故选项C正确，D错误。【拓展例题】考查内容：惯性的应用实例【典例】如图所示是一种汽车安全带控制装置的示意图，当汽车处于静止或匀速直线运动状态时，摆锤竖直悬挂，锁棒水平，棘轮可以自由转动，安全带能被拉动。当汽车突然刹车时，摆锤由于惯性绕轴摆动，使得锁棒锁定棘轮的转动，安全带不能被拉动。若摆锤从图中实线位置摆到虚线位置，汽车可能的运动方向和运动状态是()A．向左行驶，突然刹车B．向右行驶，突然刹车C．向左行驶，匀速直线运动D．向右行驶，匀速直线运动【解析】选B。当汽车匀速行驶时，摆锤与汽车无相对运动，所以不会向右摆动，故C、D错误；当汽车向右行驶，突然刹车时，车速减小，而摆锤由于惯性仍保持原有的速度向右运动，故A错误，B正确。不系安全带，安全气囊就是个“炸弹”为了保证安全气囊在适当的时候打开，生产厂家都给汽车安全气囊设置了起爆条件，只有满足了这些条件，安全气囊才能够弹出。虽然在一些交通事故中，车内乘客已经碰得头破血流，但是如果达不到安全气囊爆炸的条件，安全气囊也是不会打开的。安全气囊打开需要合适的速度和角度。理论上讲，只有速度高于30千米/小时，并且车辆的正前方左右大约60°之间位置撞击在固定的物体上，安全气囊才会打开。技术人员设计气囊的初衷是希望气囊充分展开到位之后再来保护乘客，这个时候气囊已经完全展开，内部压力变得平衡。但是，乘客如果不系安全带，在碰撞刚一发生的时候过早地向前倾，或者在车内飞起，这样就会过早和还没有充分展开的气囊接触。由于气囊的展开速度过快，气囊内部的压力还没有达到平衡，没有完全打开的安全气囊还在爆破状态就遇到了乘客的身体，这样必然会对乘客造成更大伤害。这个时候，如果系上了座椅安全带，就能够在碰撞刚刚发生的时候控制住乘客的身体避免乘客过早地向前倾，从而能够让安全气囊充分打开，气囊内部的压力达到平衡的时候接触到安全气囊，这样才能最大限度地降低安全气囊产生的副作用。当汽车刹车时，没有安全带和安全气囊情况如何？有安全带和安全气囊情况如何？提示：当汽车急刹车的时候，乘客的身体会在惯性的作用下继续前倾，这个时候，如果没有安全带和安全气囊，乘客很可能会飞出座位，撞到方向盘、仪表板或者挡风玻璃等这些车内比较坚硬的结构。如果使用了安全带和安全气囊，乘客身体在碰撞中直接接触的首先将是安全气囊和座椅安全带这些比较柔软的部件，这样就会大大降低乘客受伤的风险。1．(水平1)甲车快速倒车时车尾撞上静止的同型号的乙车车头，导致两车司机受伤。甲车司机、乙车司机最有可能的伤情分别是()A．胸部受伤，胸部受伤B．胸部受伤，背部受伤C．背部受伤，胸部受伤D．背部受伤，背部受伤【解析】选C。甲车向后倒车撞到乙车上而停止运动，甲车司机相对于甲车向后运动，甲车司机由于惯性继续向后运动而使背部受伤。乙车静止，乙车车头由于受到撞击而向后运动，乙车司机相对于乙车向前运动，所以司机由于惯性而和乙车的方向盘相碰，造成乙车司机胸部受伤，故C正确。2．(水平2)公交车起步时提醒乘客：“车辆起步，请拉好扶手……”，拉好扶手可以使乘客()A．惯性减小B．惯性增大C．惯性消失D．避免因惯性而摔倒【解析】选D。物体的惯性只和物体的质量有关，和物体的运动状态无关，故选项A、B、C错误；公交车未启动时人和车保持静止状态，车启动时由于摩擦力，脚随车一起运动，而人的上半身由于惯性保持静止状态，容易摔倒，故选项D正确。3.(水