2022年初升高物理衔接讲义 15 牛顿第一定律 牛顿第三定律（教师版+学生版）

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专题15 牛顿第一定律和牛顿第三定律初中知识回顾：1、 物体在不受力或受到平衡力作用下都会保持静止状态或匀速直线运动状态2、牛顿第一定律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态。(牛顿第一定律是在经验事实的基础上，通过进一步的推理而概括出来的，因而不能用实验来证明这一定律)。3、惯性：物体保持运动状态不变的性质叫惯性。牛顿第一定律也叫做惯性定律。4、物体平衡状态：物体受到几个力作用时，如果保持静止状态或匀速直线运动状态，我们就说这几个力平衡。当物体在两个力的作用下处于平衡状态时，就叫做二力平衡。5、二力平衡的条件：作用在同一物体上的两个力，如果大小相等、方向相反、并且在同一直线上，则这两个力二力平衡时合力为零。高中知识预习：1、牛顿第一定律(1)建立过程：根据伽利略斜面实验等进行推理、归纳、总结得到。(2)内容：一切物体总是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。(3)意义：牛顿第一定律指出了物体具有惯性，同时也指出物体的运动状态是可以改变的，而改变物体的运动状态需要外力，为牛顿第二定律的得出指明了方向。伽利略理想斜面实验  在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度。最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去。打破了自亚里士多德以来长时期的错误观念：力是物体运动的原因。对牛顿第一定律的理解 (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)揭示了力和运动的关系：定律的后半句话“除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态”，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.2、 惯性  物体保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质叫做惯性．对惯性的理解 ：(1)物体保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质叫惯性.(2)惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性.(3)惯性与物体的运动状态及受力无关，由质量惟一量度.有的同学总认为：“惯性与物体的运动有关，速度大惯性就大，速度小，惯性就小”，理由是物体运动速度越大，越不容易停下来，速度越小越容易停下来.产生这种错误认识的原因是“把惯性大小理解为把物体从运动改变为静止的难易程度”.事实上，在受到相同阻力的情况下，速度不同质量相同的物体，在相同时间内速度的减小量是相同的，这说明质量相同的物体，它们改变运动状态的难易程度—惯性是相同的，与它们的速度无关.做一做：下面几个有趣的实验，对加深惯性概念的感性认识也许会有帮助。①    如图4—1所示，小车上放一个带轮的木块，使木块与小车均处于静止状态。当突然起动小车时，木块由于惯性将相对小车向后运动。②    如图4—2所示，小车上放一个带轮的木块，使木块与小车一起向右匀速运动。当小车被挡板挡住时，木块由于惯性将继续向前运动。③    如图4—3所示，小车上放一个木块，使木块与小车均处于静止状态，木块与小车间有一定的摩擦力。当突然起动小车时，木块由于惯性将向后倾倒。④    如图4—4所示，小车上放一个木块，使木块与小车一起向右匀速运动，木块与小车间有一定的摩擦力。当小车被挡板挡住时，木块由于惯性将向前倾倒。⑤    如图4—5所示，小车上放一碗水，使碗与小车均处于静止状态，碗与小车间有一定的摩擦力。当突然起动小车时，碗中的水由于惯性将向后泼出。⑥    如图4—6所示，小车上放一碗水，使碗与小车一起向右匀速运动，碗与小车间有一定的摩擦力。当小车被挡板挡住时，碗中的水由于惯性将向前泼出。                                    3、 关于物体运动状态的描述与变化 一个物体，如果它的速度的大小和方向都保持不变，则这个物体的运动状态保持不变，也就是说我们是用速度这个矢量来描述物体的运动状态的.物体运动状态的改变，就是指物体的速度发生了变化.由于速度是矢量，既有大小，又有方向，只要其中之一发生了变化，物体的运动状态就发生了变化.这时物体运动状态的改变有三种情况：①只是速度大小改变，方向不变；②只是速度方向改变，大小不变；③速度的大小和方向都改变. 　1．知道伽利略和亚里士多德对力和运动的关系的不同认识，知道伽利略的理想实验及其推理过程和结论，知道理想实验是科学研究的重要方法．　　2．理解牛顿第一定律的内容和意义．　　3．知道什么是惯性，会正确解释有关惯性的现象．[典例1]以下说法中正确的是(    )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，物体运动状态保持不变是由于物体具有这样的性质，即惯性C.在水平面上滑动的木块最终要停下来，是由于没有外力维持木块运动D.物体运动状态发生变化时，必定受到外力的作用 [典例2]火车在长直轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一人竖直向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为(   )A. 人跳起后，厢内空气给他向前的力，使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，推动他随火车一起向前运动C. 人跳起后，车继续向前运动，所以人落地必定偏向后面一些，只是由于时间很短，偏后的距离不明显而已D. 人从起跳到落地，由于惯性，在水平方向上人和车始终具有相同的速度  [典例3]力改变物体运动状态举例：  [典例4]物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质称为惯性．下列有关惯性的说法中，正确的是(　　)A．乘坐汽车时系好安全带可减小惯性B．运动员跑得越快惯性越大C．宇宙飞船在太空中也有惯性D．汽车在刹车时才有惯性 1．下列说法正确的是(　　)A．运动越快的汽车越不容易停下来，是因为汽车运动得越快，惯性越大B．曲线运动的速度方向与加速度的方向不可能共线C．伽利略通过实验直接证明了自由落体运动为匀加速运动D．力学中的基本物理量有三个，它们分别是长度、质量和力 2．我国古代典籍中记录了很多物理现象和规律，体现了古人对自然的思考探索。根据所学知识分析，下列说法正确的是(　　)A．“力，刑(形)之所以奋也”，力使物体的运动状态发生了改变，说明力是改变物体运动状态的原因B．“强努之末，势不能穿鲁缟也”，说明弓箭的惯性随速度减小而减小C．“劝登马力，马力既竭，辀犹能一取焉”，说明力是维持物体运动的原因，没有力物体就会停止运动D．“有乌获之劲而不得人助，不能自举”，意思是力气很大的人也不能把自己举起来，说明一对相互作用力的效果可以相互抵消 3．如图，桌子边缘用茶叶罐子压着一张纸，欲向外把纸拉走，而让茶叶罐子留在桌上，实验发现纸拉得越快，茶叶罐子越稳定，对此，以下说法正确的是(　　)A．纸拉得越快，纸对罐子的摩擦力越小B．由于罐子有惯性，所以纸拉得越快，罐子惯性越大，越稳定C．纸拉得越快，纸对罐子的摩擦力的冲量越小D．无论拉纸的力如何，罐子和纸总会有相对运动，最终罐子总可以留在桌上 4．关于下列四副图叙述正确的是(　　)A．甲图中，公路上对各类汽车都有限速，是因为汽车速度越大惯性越大B．乙图中，神舟十三飞船返回地球时打开降落伞减速下降，伞绳对返回舱的作用力大于返回舱对伞绳的作用力C．丙图伽利略通过“斜面实验”来研究落体运动规律，是为了“冲淡”重力，便于测量运动时间D．丁图是伽利略利用“实验+逻辑推理”的思想，来验证力是维持物体运动原因的实验装置 5．伽利略设想了一个理想实验：①如果没有摩擦，也不考虑其余能量损失，小球将上升到原来的高度②若将第二个斜面放平时，球将永远滚动下去③减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远④两个平滑连接的斜面，让小球从一个斜面静止滚下，小球将滚上另一个斜面 下列对理想实验各步骤顺序的排列正确的是(　　)A．④①③② B．④③①② C．③④①② D．③①④② 6．某同学为了取出如图所示羽毛球筒中的羽毛球，一手拿着球筒的中部，另一手用力F击打羽毛球筒的上端，则(　　)A．该同学是在利用羽毛球的惯性B．该同学无法取出羽毛球C．羽毛球会从筒的下端出来D．羽毛球筒向下运动过程中，羽毛球受到向上的摩擦力才会从上端出来 7．如图所示，一个劈形物体A，各面均光滑，放在固定的斜面上，A的上表面成水平并放上一个光滑小球。把物体A从静止开始释放，则小球在碰到斜面以前的运动轨迹是(　　)A．沿斜面的直线 B．弧形的直线C．竖直的直线 D．折线 8．“复兴号”高铁在某段水平轨道上匀速行驶，假设高铁上固定着盛满水的水杯。若突然发现水杯中的水向右洒出，如图所示，则关于高铁在此种情况下的运动，下列描述正确的是(       )A．高铁一定匀速向左运动B．高铁可能突然向左加速运动C．高铁可能突然向左减速运动D．高铁可能突然向右加速运动 二、解答题9．有些人喜欢在小汽车车头悬挂小铃铛等装饰物。汽车在平直路面上行驶，某瞬间小铃铛向车后方摆动，如图所示。若忽略空气阻力，则：(1)此时铃铛受到哪些力的作用？(2)请根据图示，分析判断汽车可能的运动状态，并说明理由。(3)根据交通法规，禁止在车头悬挂小物件，因摆动的小物件会影响驾驶员的视线与注意力。根据所学物理知识解释为什么悬挂着的小物件在行驶的汽车中会时常摆动？ 10．回答下列问题。(1)飞机投弹时，如果当目标在飞机的正下方时竖直向下投下炸弹，能击中目标吗？为什么？(2)地球由西向东自转，你向上跳起来以后，为什么还落在原地，而不落到原地的西边？(3)我国道路交通安全法规定，在各种小型车辆里乘坐的人必须系好安全带。为什么要有这样的规定？(4)一位同学说，向上抛出的物体，在空中向上运动时，肯定受到了向上的作用力，否则它不可能向上运动。这个结论错在哪里？    阅读材料9:牛顿生平(一)少年牛顿1642年的圣诞节前夜，在英格兰林肯郡沃尔斯索浦的一个农民家庭里，牛顿诞生了.牛顿是一个早产儿，出生时只有3磅重，接生婆和他的双亲都担心他是否能活下来，谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨匠，并且竟活到了85岁的高龄.牛顿出生前3个月父亲就去世了.在他两岁的时候，母亲改嫁.从此牛顿便由外祖母抚养.11岁时，母亲的后夫去世，牛顿才回到了母亲身边.大约从5岁开始，牛顿就被送到公立学校读书，12岁时进入中学.少年时的牛顿并不是神童，他资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍简单机械模型制作方法的读物，并从中受到启发，自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意，如风车、木钟、折叠式提灯等.药剂师的房子附近正在建造风车，小牛顿把风车的原理搞透后，自己也制作了一架小风车，推动他的风车转动的，不是风，而是小动物.他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上，然后在轮子的前面放一粒玉米，刚好那地方是老鼠可望而不可及的位置.老鼠想吃玉米，就不停的跑动，于是轮子就不停的转动.他还制作了一个小水钟，每天早上，小水钟会自动滴水到他的脸上，催他起床.后来，迫于生活，母亲让牛顿辍学在家务农.但牛顿对务农并不感兴趣，一有机会就埋首书卷.每次，母亲叫他和她的佣人上市场熟悉做交易的生意经时，他就恳求佣人一个人上街，自己躲在树后看书.有一次，牛顿的舅父起了疑心，就跟踪牛顿上市镇去，他发现他的外甥伸着腿，躺在草地上，正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父，于是舅父劝服了母亲让牛顿复学.牛顿又重新回到了学校，如饥似渴的吸取着书本上的营养。   牛顿第三定律牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，用公式表示，即F=－F′(负号表示方向相反).1．对牛顿第三定律应从以下几点加以理解：(1)同时性：作用力与反作用力总是成对出现，同时产生、同时变化、同时消失.所谓作用力和反作用力是人为的名称，究竟哪个力是作用力，哪个力是反作用力，可任意选择，没有主次之分。当确定其一为研究对象时，它受到的力即为作用力，而另一个力为反作用力。(2)同一性：作用力和反作用力是同一性质的力，即作用力是万有引力，反作用力也是万有引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。(3)异体性：作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，各自对自己的受力物体产生作用效果，所以它们产生的作用效果不会抵消，即作用力与反作用力永远不能相互抵消，永远也达不到所谓平衡。(4)普遍性：物体间的相互作用力可以是接触力，也可以是非接触力.作用力和反作用力的关系适用于静止物体之间，也适用于运动物体之间，与物体的运动状态无关，与参考系的选择也无关.在经典力学讨论的范围内，牛顿第三定律有其普遍意义。       头和球各受力                  力传感器显示作用力和反作用力等大反向2．作用力与反作用力跟一对平衡力的区别 类别不同点作用力与反作用力平衡力作用对象两个力分别作用在两个物体上两个力作用在同一个物体上作用时间同时产生，同时变化，同时消失不一定同时产生或同时消失力的性质一定是同性质的力不一定是同性质的力作用效果因为一对作用力与反作用力作用在两个物体上，各自产生作用效果，故不能作为使物体平衡的条件一对平衡力的作用效果是使物体处于平衡状态，合力为零 特别提醒：区别作用力、反作用力与平衡力的方法是：看两个力是作用在一个物体上，还是分别作用在相互作用的两个物体上，但是作用在两个物体上不能说就是作用力反作用力，还必须是因互相作用而产生。 　1．知道力的作用是相互的，知道作用力和反作用力的概念．2．理解牛顿第三定律的确切含义，能用它解决简单的问题．说明：　1．学生在初中已经学过力是物体的相互作用，因此理解牛顿第三定律的内容并不困难．也可以告诉学生，作用力和反作用力是一对性质相同的力，它们同时产生、消失，但不要求学生硬记．　　2．不能区分平衡力跟作用力和反作用力，这是初学者普遍存在的问题．因此，教材安排了几个题目，以期能把这个问题弄清楚．　　3．一个物体静止地放在水平支持物或者挂在悬绳上，物体对支持物的压力或者对悬绳的拉力等于物体的重量，在第一章要求学生作为事实接受下来．学习了牛顿第三定律之后，应该要求学生对此有所理解．为此，在节后的练习中安排了两个题目(第4、5两题)，要求学生自己证明．据了解，学生不习惯作证明，所以要求学生独立地证明，对培养学生的推理能力是有好处的．区分平衡力跟作用力和反作用力．[典例1]物体静止在斜面上，以下几种分析中正确的是  (       )A．物体受到的静摩擦力的反作用力是重力沿斜面的分力B．物体所受重力沿垂直于斜面的分力就是物体对斜面的压力C．物体所受重力的反作用力就是斜面对它的静摩擦力和支持力这两个力的合力D．物体受到的支持力的反作用力，就是物体对斜面的压力 [典例2]甲、乙二人拔河，甲拉动乙向左运动，下面说法中正确的是   (      )A．做匀速运动时，甲、乙二人对绳的拉力大小一定相等B．不论做何种运动，根据牛顿第三定律，甲、乙二人对绳的拉力大小一定相等C．绳的质量可以忽略不计时，甲乙二人对绳的拉力大小一定相等D．绳的质量不能忽略不计时，甲对绳的拉力一定大于乙对绳的拉力 [典例3]如图所示，水平力F把一个物体紧压在竖直的墙壁上静止不动，下列说法中正确的是(    )A.作用力F跟墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力B.作用力F与物体对墙壁的压力是一对平衡力C.物体的重力跟墙壁对物体的静摩擦力是一对平衡力D.物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力  [典例4]汽车拉着拖车在平直的公路上运动，下面说法正确的是：(      )A．汽车能拉动拖车向前运动是因为汽车对拖车的拉力大于拖车对汽车的拉力B．汽车先对拖车施加拉力，然后才产生拖车对汽车的拉力C．只有匀速前进时，汽车对拖车的拉力等于拖车对汽车的拉力D．任何运动情况下，汽车对拖车的拉力都等于拖车对汽车的拉力   一、单选题1．百米飞人苏炳添因为有惊人的弹跳力而被戏称他有弹簧腿。弹跳过程中屈膝是其中一个关键动作。如图所示，人下蹲，膝盖关节弯曲角度为θ，设此时大小腿肌群对膝关节的作用力F的方向水平向后，且大腿、小腿骨对膝关节的作用力大致相等，那么脚掌所受地面向上的弹力约为(　　)A． B． C． D． 2．两同学在冰面上拔河，分界线处于绳子中点正下方，若绳子质量不计，冰面阻力可以忽略，则拔河取胜的关键因素是(　　) A．同学的拔河姿势 B．同学的质量大小 C．同学的收绳速度 D．同学对绳子的拉力大小 3．疫情复课以后，教室里通常会用磁扣将《通风、消毒记录表》“吸”在竖直黑板上，如图所示。磁扣与纸始终处于静止状态。下列说法中正确的是(　　)A．记录表受4个力作用B．磁扣对记录表的摩擦力竖直向上C．记录表受到黑板的作用力等于记录表的重力D．磁扣对黑板的吸引力与黑板对磁扣的吸引力是一对相互作用力 4．超市里的购物车在自动扶梯上会被“锁死”，秘密在于每个后轮两侧的塑胶垫，如图所示，塑胶垫的位置比轮子的凸缘高：当购物车推进自动扶梯时，轮子的凸缘会落进扶梯的凹槽(忽略此处摩擦)，后轮的塑胶垫就压在自动扶梯的齿面上以获得静摩擦力。当购物车(人车分离)随倾斜自动扶梯一起匀速运动时(　　)A．塑胶垫受到扶梯的弹力之和等于购物车的重力B．塑胶垫受到扶梯的摩擦力之和等于购物车的重力C．自动扶梯对购物车的作用力等于购物车的重力D．塑胶垫对扶梯的摩擦力可能大于扶梯对塑胶垫的摩擦力【答案】C 5．春秋时期齐国人的著作《考工记》中有“马力既竭，辀(zhōu)犹能一取焉”，意思是马拉车的时候，马虽然对车不再施力了，但车还能继续向前运动一段距离。这一现象说明了(　　)A．车的运动不需要力来维持B．物体受到的重力是由地球对物体的引力产生的C．地面对物体的支持力和物体对地面的压力是一对相互作用力D．弹力存在于相互接触的物体之间 6．手托着一木块，由静止开始向上加速运动，手对木块的支持力大小(          )A．小于木块对手的压力大小，小于木块所受的重力大小B．小于木块对手的压力大小，等于木块所受的重力大小C．等于木块对手的压力大小，大于木块所受的重力大小D．大于木块对手的压力大小，大于木块所受的重力大小 7．两条质量相等的有蓬小船甲和乙，用绳子连接(绳子质量忽略不计)，静止在湖面上，若乙船内的人用不变的拉力拉绳子，如图所示，水的阻力不计，下列判断中正确的是(　　)A．人拉绳子的力大于甲对绳子的拉力B．绳子对甲的拉力与绳子对人的拉力是作用力与反作用力C．绳子对甲的拉力与绳子对人的拉力作用效果能够抵消D．两船相向运动，乙获得的加速度要小于甲获得的加速度 8．如图，质量为M的楔形物A静置在水平地面上，其斜面的倾角为．斜面上有一质量为m的小物块B，B与斜面之间存在摩擦．用恒力F沿斜面向上拉B，使之匀速上滑。在B运动的过程中，楔形物块A始终保持静止。关于相互间作用力哪项是正确的(　　)A．B给A的作用力大小为B．B给A摩擦力大小为 FC．地面受到的摩擦力大小为D．地面受到的压力大小为Mg+mgcosθ-Fsinθ 二、多选题9．关于两个物体间作用力与反作用力的下列说法中，正确的是(　　)A．若相互作用的两个物体处于加速运动状态，其作用力与反作用力大小也相等B．有作用力才有反作用力，因此先有作用力后产生反作用力C．作用力与反作用力只存在于相互接触的两个物体之间D．作用力与反作用力的性质一定相同 10．如图所示，倾角为的斜面静止在水平地面上，物体叠放在物体上，、的质量均为，且上、下表面均与斜面平行，它们以共同速度沿斜面匀速下滑，则以下说法正确的是(　　)A．地面对斜面没有静摩擦力的作用B．对的作用力大小一定为，方向竖直向下C．受到斜面的滑动摩擦力大小一定为D．与间的动摩擦因数一定为 三、解答题11．如图所示，在天花板上吊有一台电风扇，通电后叶片平稳转动，这时挂钩受到的拉力跟叶片没有转动时相比较，有什么变化？为什么？   12．如图甲所示为冰壶运动，属于冬奥会比赛项目。现对运动员推动冰壶滑行过程建立如图乙所示模型。运动员对冰壶施加一方向与水平方向夹角、大小的推力，使冰壶在该推力的作用下做匀速直线运动。已知冰壶质量，重力加速度取，，，求：(1)冰壶对冰面的压力大小；(2)冰壶与冰面的动摩擦因数。(结果保留2位有效数字) 阅读材料10: 牛顿生平(二)求学岁月牛顿19岁时进入剑桥大学，成为三一学院的减费生，靠为学院做杂务的收入支付学费.在这里，牛顿开始接触到大量自然科学著作，经常参加学院举办的各类讲座，包括地理、物理、天文和数学.牛顿的第一任教授伊萨克·巴罗是个博学多才的学者.这位学者独具慧眼，看出了牛顿具有深邃的洞察力、敏锐的理解力.于是将自己的数学知识，包括计算曲线图形面积的方法，全部传授给牛顿，并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域.后来，牛顿在回忆时说道：“巴罗博士当时讲授关于运动学的课程，也许正是这些课程促使我去研究这方面的问题.”当时，牛顿在数学上很大程度是依靠自学.他学习了欧几里德的《几何原本》、笛卡儿的《几何学》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的《数学讲义》及韦达等许多数学家的著作.其中，对牛顿具有决定性影响的要数笛卡儿的《几何学》和沃利斯的《无穷算术》，它们将牛顿迅速引导到当时数学最前沿—解析几何与微积分.1664年，牛顿被选为巴罗的助手，第二年，剑桥大学评议会通过了授予牛顿大学学士学位的决定.正当牛顿准备留校继续深造时，严重的鼠疫席卷了英国，剑桥大学因此而关闭，牛顿离校返乡。家乡安静的环境使得他的思想展翅飞翔，以整个宇宙作为其藩篱。这短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月，他的三大成就：微积分、万有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的，可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。