高中物理人教版 (2019)必修 第一册1 牛顿第一定律学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一册1 牛顿第一定律学案，共10页。

知识点一 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，物体就要静止在某个地方。
2．伽利略的理想实验
(1)斜面实验：如图所示，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，如果没有摩擦，小球将到达原来的高度。如果第二个斜面的倾角减小，小球仍将到达原来的高度，但是运动的距离更长，当第二个斜面最终变为水平面时，小球要到达原有高度将永远运动下去。
甲 乙 丙
(2)推理结论：力不是(选填“是”或“不是”)维持物体运动的原因。
3．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。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)亚里士多德认为力是维持物体运动的原因。(√)
(2)笛卡儿认为物体的运动状态不需力来维持。 (√)
(3)伽利略的理想实验说明了力是维持物体运动的原因。(×)
你认为真实实验与理想实验的差别在哪里？
提示：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；理想实验是一种思维活动，是在抽象思维中设想出来的、无法做到的实验，但是理想实验是建立在可靠事实的基础之上的。
知识点二 牛顿第一定律
1．牛顿第一定律的内容：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
(1)物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性。牛顿第一定律也被叫作惯性定律。
(2)惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。
如果在一个参考系中，一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态，这样的参考系叫作惯性参考系，简称惯性系。牛顿第一定律适用于惯性参考系。
例如：在桌面上放一张纸和一个小钢球，小钢球静止在纸面上，突然迅速拉动纸的一边，在纸加速运动的过程中，可将地面看作惯性系，小钢球仍保持静止状态。
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)牛顿第一定律是可以通过实验验证的。(×)
(2)牛顿认为力的真正效应总是改变物体的速度，而不仅仅是使之运动。(×)
(3)牛顿第一定律说明一切物体都具有惯性。(√)

(1)如图所示，下落苹果的运动状态是否变化？运动状态变化的原因是什么？
(2)在管道口的出口处放一小磁铁，小铁球的运动状态是否改变？运动状态变化的原因是什么？
提示：(1)苹果运动的速度越来越大，因为受到向下的重力的作用。
(2)小铁球出管道口后速度发生了改变，因为受到磁铁吸引力的作用。
知识点三 惯性与质量
1．描述物体惯性的物理量是它的质量。质量大的物体惯性大。
2．质量：只有大小，没有方向，是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，符号为kg。
3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)物体的惯性大小决定于物体的质量大小。(√)
(2)物体只有处于静止状态或匀速直线运动状态时才有惯性。 (×)
公路上奔驰的汽车，速度越大，刹车时停下来所用的时间越长，这能说明速度越大惯性越大吗？
提示：质量是惯性大小的唯一量度，质量越大，运动状态越难改变。
由veq \\al(2,0)＝2ax知，刹车位移和初速度的二次方成正比，汽车速度越大，刹车位移越长，但是汽车质量不变，惯性不变。
考点1 理想实验的魅力
亚里士多德关于力与运动的观点
由此亚里士多德得出什么结论？
提示：亚里士多德认为“力是维持物体运动的原因”。
1．伽利略的理想实验
(1)(实验事实)如图所示，两个斜面平滑地对接在一起，小球从一个斜面的某一高度自由滚下，在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等，伽利略分析高度的微小差别是由摩擦阻力引起的。
(2)(科学推理)若两个斜面均光滑，则小球一定会上升到原来的高度。
(3)(科学推理)若减小第二个斜面的倾角，则小球仍然会到达相同的高度，不过，在第二个斜面上滚得远些。
(4)(科学推理)若将第二个斜面放平(成为水平面)，那么小球从第一个斜面上滚下来之后，为达到原有高度，将以恒定的速度在无限长的水平面上永远不停地运动下去。
名师点睛：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．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。
(4)“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。
【典例1】 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的推论进行分类。
属于可靠事实的步骤是________；
属于理想化推论的步骤是________。
思路点拨：整个实验是在一定的实验事实的基础上，通过推理形成结论，因此要会按逻辑关系排顺序。在现实生活中，摩擦是不可避免的，因此，凡是不考虑摩擦影响的都是理想化。
[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)② ①③④
理解理想实验应注意的三点
(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。
eq \([跟进训练])
1．(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滑下，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
CD [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，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，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。]
考点2 牛顿第一定律
如图所示，冰壶在冰面上的运动。如果摩擦阻力比较大，冰壶很快停下来；如果摩擦阻力很小，冰壶能滑得很远；如果摩擦阻力为零，冰壶将永远运动下去。
试结合上述现象讨论：
(1)牛顿第一定律中“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”说明运动与力有什么关系？
2根据牛顿第一定律思考，如果物体不受外力作用，物体将处于什么状态？
提示：1说明力是改变物体运动状态的原因。
2原来静止的物体，不受外力时，仍然静止；原来运动的物体，不受外力时，将永远做匀速直线运动。
1．运动状态变化的三种情况
(1)速度的方向不变，只有大小改变。(物体做直线运动)
(2)速度的大小不变，只有方向改变。(物体做匀速圆周运动)
(3)速度的大小和方向同时发生改变。(物体做曲线运动)
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
匀速直线运动或静止(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
思路点拨：①小车表面光滑且不考虑其他阻力说明小球在水平方向上不受力的作用。②两小球随车一起运动说明两小球速度相同。
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。]
应用牛顿第一定律解题步骤
应用牛顿第一定律解释有关现象时，一要看物体原来的运动状态，二要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零，最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象。
eq \([跟进训练])
2．如图所示，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
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没有位移，仅沿竖直方向运动，故B正确。]
考点3 惯性与质量
正在匀速行驶的校车，发现前方有车祸，立即紧急刹车。
向前倾倒
假设突然刹车，没有系安全带的学生为什么会向前方倾倒？
提示：紧急刹车，校车很快停下来，但学生上半身因惯性还向前运动，故学生在没有系安全带的情况下，会向前倾倒。
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．几个关系
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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，属性不同于规律。惯性定律揭示了物体的惯性。
【典例3】 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
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。]
质量是惯性大小的唯一量度。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。
eq \([跟进训练])
3．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
A [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，故A正确。]
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．由牛顿第一定律可知，静止的物体一定不受外力作用
C [牛顿第一定律是在理想实验的基础上经过合理归纳总结出来的，但无法用实验来直接验证，故A、B错误；理想实验的思维方法与质点概念的建立相同，都是突出主要因素、忽略次要因素的科学抽象的思维方法，故C正确；物体静止时不受外力或合外力为零，故D错误。]
2．漫画中的情景在公交车急刹时常会出现。为提醒乘客注意，公交公司征集到几条友情提示语，其中对惯性的理解正确的是( )
A．站稳扶好，克服惯性
B．稳步慢行，避免惯性
C．当心急刹，失去惯性
D．谨防意外，惯性恒在
D [惯性是物体具有的保持原来运动状态的性质，是物体固有的属性，不能被克服或避免，也不会失去，故A、B、C错误，D正确。]
3．如图所示，桌面上有一上表面光滑的木块，木块上有一小球，快速向右水平拉动木块，小球的位置可能落在桌面上的哪点( )
A．A点 B．B点
C．O点 D．无法确定
C [小球在水平方向上不受摩擦力的作用，所以水平方向的运动状态不变，在重力的作用下，小球落在O点，故C正确。]
4．如图所示，滑板运动员沿水平地面向前滑行，在横杆前相对于滑板竖直向上起跳，人与滑板分离，分别从横杆的上、下通过，忽略人和滑板在运动中受到的阻力，则运动员( )
A．起跳时脚对滑板的作用力斜向后
B．在空中水平方向先加速后减速
C．越过杆后落在滑板的后方
D．越过杆后仍落在滑板上起跳的位置
D [运动员相对于滑板竖直向上起跳，所以脚对滑板的作用力竖直向下，A错误；人在空中时，水平方向不受力的作用，水平方向速度不变，B错误；由于人和滑板的水平速度始终相同，所以人落在滑板上起跳的位置，C错误，D正确。]
5．情境：在杂技表演中有一个节目叫“胸口碎大石”，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。
问题：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？
[解析] 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，所以人受到的附加冲击力越小，故节目所选石头越大越好。
[答案] 见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．亚里士多德关于力与运动的观点是什么？
提示：必需有力作用在物体上，物体才能运动，没有力作用，物体就静止在某个地方。
2．伽俐略关于力与运动的观点是什么？
提示：力不是维持物体运动的原因。
3．牛顿第一定律的深刻含义有哪些？
提示：(1)明确了惯性的概念。
(2)揭示了力与运动的关系。
(3)反映了物体不受外力时的运动状态。
4．物体惯性大小的量度是什么？
提示：质量。
核心素养
学习目标
物理观念
(1)了解伽利略关于运动和力的关系的认识。
(2)能准确叙述牛顿第一定律的内容。
(3)知道质量是物体惯性大小的量度。
科学思维
(1)能领悟理想实验的科学推理方法及其意义。
(2)能对牛顿第一定律所揭示的运动和力的关系有较深刻理解。
科学探究
领会实验加推理的科学研究方法，培养学生科学推理和想象能力。
科学态度与责任
了解牛顿第一定律的发现过程，体会人类认识事物本质的曲折过程，培养学生严谨的科学态度。