1、4.1 伽利略的理想实验与牛顿第一定律牛顿第一定律班级_姓名_学号_学习目标: 1.了解有关运动和力的关系的历史发展，知道理想实验是科学研究的重要方法。2.理解并掌握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。知道质量是物体惯性大小的量度。4.知道运动状态和运动状态改变的意义。5.理解运动状态改变与物体受力的关系。理解力是使物体产生加速度的原因。6.知道影响加速度大小的因素除了外力以外，还有质量。学习重点: 1. 牛顿第一定律。2. 力是物体运动状态改变的原因，是物体产生加速度的原因。学习难点: 力是物体产生加速度的原因 。 主要内容:一、人类对运动和力的关系的探索
2、历程 研究运动和力的关系，是动力学的基本问题。人类正确认识这个问题，经历了漫长的过程。1. 十七世纪前对运动和力的关系的认识(亚里士多德的错误观点)：力是维持问题运动的原因。时间：公元前。基本观点：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止下来。根据：经验事实一用力推车，车子才前进；停止用力，车子就要停下来。所用方法：观察+直觉(由生活经验得出直觉印象)。错误原因剖析：没有对所观察的物理现象进行深入地分析。只看到对车子施加的推力，而未考虑车子还受到摩擦阻力作用。停止用力(即去掉了车子前进的动力)，车子并没有立即停下来，还要向前发生一段位移；只是由于摩擦阻力的作用，才最后停了
3、下来。路面越光滑，阻力就越小，车子向前发生的位移就越大，假若没有摩擦阻力，车子将一直运动下去，这说明车子的运动并不需要力来维持，而恰恰是(阻)力的作用，才使车子由运动到静止，运动状态发生了改变。危害：在亚里士多德以后的两千年内，动力学一直没有多大进展，直到十七世纪才受到伽利略的质疑。这是为什么?原来亚里士多德的观点与日常体验有相同之处，易于被人们接受，直接的生活经验使人们总是把力和物体运动的速度联系在一起，这种认识从孩提时代就开始了，如当拉着玩具小车前进的时候，给人的直接体验是：只有用力拉小车，小车才会前进；停止用力了，小车就会停下来；用力大的时候，小车就运动得快些；用力小的时候，小车就运动得
4、慢些；往哪个方向用力，玩具小车就向那个方向运动等等，好像没有力的作用，物体运动不可能维持，力决定着物体运动的快慢，还决定物体运动的方向。人们的直观感觉虽然是外界事物的真实反映，但它具有片面性和表面性，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去，然而人们不能毁灭了直觉的观点还是凭直觉来看问题，错误直觉印象在人脑中有很深的潜意识，形成思维定势因此亚里士多德的观点统治了人们的思维两千多年。2. 伽利略的理想实验及其推论（正确认识）：力是改变物体运动状态的原因，运动并不需要力来维持。 时间：十七世纪。 基本观点：在水平面上运动的物体所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的
5、缘故。设想没有摩擦，一旦物体具有某一速度，物体将保持这个速度继续运动下去。 根据：理想实验。方法：实验+科学推理(把可靠事实和理论思维结合起来)。理想斜面实验 将两个对称的斜面末端平滑地对接在一起，让小球沿一个斜面从静止滚下来，小球将滚上另一个斜面。伽利略认真观察注意到，球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。他断定高度上的这一微小差别是由于摩擦产生的，如能将摩擦完全消除的话，则高度将恰好相等。于是他推论说在完全没有摩擦的情况下。若使第二个斜面的倾角越来越小，则不管第二个斜面倾角多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度，只是小球要通过更长的路径。最后，如果第二
6、个斜面的倾斜度完全消除了(成为水平面)，那么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。这就是有名的伽利略理想斜面实验。 这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉，所以叫理想实验。又叫假想实验，思想上的实验；是每抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验。伽利略从可靠的实验出发，设想出这个实际上不可能进行的但又符合严格科学推理的理想化的实验，论证了物体在不受外力(理想实验中小球水平方向不受外力作用)作用时将永远运动下去的推测是正确的，说明维持物体的运动不需要外力的作用。 伽利略的理想实验是在可靠事实的基础上进行抽象思维的一种科学推理，
7、科学研究中的一种重要方法，在自然科学的研究中有着重要的作用，它可以深刻揭示自然规律，被爱因斯坦誉为“是人类思想史上最伟大的成就之一”，伽利略也之无愧地成为动力学的创始人，实验科学的奠基人。3.笛卡尔对伽利略看法的补充和完善：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，直到有外力迫使它改变这种状态为止。2.理解： 物体不受力时将处于_状态或_状态。即物体的运动状态不改变。力不是维持物体速度的原因，物体的运动不需要力来维持。外力的作用是迫使物体改变运动状态，即外力是改变_的原因，力还是产生加速度的原因，而不是维持_的原因。一切物体都有保持_的性质，这种性质叫_。因此，牛顿第
8、一定律也叫惯性定律。这种性质是物体的固有属性。不论物体处于何种状态，即与物体运动情况和受力情况无关，任何物体在任何状态下均有惯性。质量是惯性大小的唯一量度。牛顿第一定律是物体不受外力作用时的运动定律，所描述的物体不受外力的状态是一种理想化的状态，因为不受外力作用的物体是不存在的，所以牛顿第一定律不能用实验验证，其正确性可通过由它推导出的结论与实验事实完全一致而得到证明。定律的实际应用场合是物体所受合外力为零，物体在某方向上不受外力或在某方向上受平衡力作用时，该方向上保持静止或匀速直线运动状态的情况是普遍存在的。三、惯性：物体具有的保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。惯性是物体的固有属性
9、，惯性不是一种力。任何物体在任何情况下（不管是否受力不管是否运动和怎样运动）都具有惯性，切莫将惯性误解为“物体只有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态时”才有惯性，在受力作用时，惯性依然存在，体现在运动状态改变的难易程度上。惯性的大小只由物体本身的特征决定，与外界因素无关，切莫认为物体的速度越大，惯性越大。惯性是不能被克服的，但可以利用惯性做事或防止惯性的不良影响。不要把惯性概念与惯性定律相混淆。惯性是万物皆有的保持原运动状态的一种属性，惯性定律则是物体不受外力作用时的运动定律，当有力作用时，物体运动状态必定改变。【例一】火车在长直水平轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起，发现仍落回
10、到车上原处，这是因为( )A.人跳起后，车厢内空气给他以向前的力，带着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，推动他随同火车一起向前运动。C.人跳起后，车在继续向前运动，所以人落下后必是偏后一些，只是由于时间很短，偏后距离太小，不明显而已。D.人跳起后直到落地，在水平方向上人和车始终有相同的速度。 D【例二】有人设想，乘坐气球飘在高空，由于地球的自转，一昼夜就能周游世界，请你评价一下，这个设想可行吗? 不可行,由于惯性气球与地球有共同的速度. 四、物体运动状态的改变1运动状态指的是物体的速度 速度是是矢量，速度不变则运动状态不变，速度改变(大小改变、方向改变或大
11、小方向同时改变)运动状态也就改变了，所以运动状态不断改变的物体总有加速度。 2力是使物体产生加速度的原因 3质量是物体惯性大小的量度 质量越大的物体_越大，运动状态改变就越_。【例三】月球表面上的重力加速度地球表面上的16，同一个飞行器在月球表面上时与在地球表面上时相比较 ( ) A.惯性减小为16，重力不变。 B.惯性和重力都减小为16。 C.惯性不变，重力减小为l6。 D.惯性和重力都不变。 C课堂训练:1.以下各说法中正确的是( )A.牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时物体的运动规律。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惯性。C.在水平地面上滑动的木块最终停下来是由于
12、没有外力维持木块运动的结果。D.物体运动状态发生变化时，物体必定受到外力的作用。2.下列说法正确的是：( )A.力是使物体惯性改变的原因。B.静止的火车启动时速度变化缓慢，是因为物体静止时惯性大。C.乒乓球可快速被抽杀，是因为乒乓球的惯性小。D.为了防止机器运转时振动，采用地脚螺钉固定在地球上，是为了增大机器的惯性。3.某人推小车前进，不用力，小车就停下来，说明：( )A. 力是维持小车运动的原因。 B.小车停下来是因为受力的作用的结果。C.小车前进时共受四个力。D.不用力时，小车受到的合外力方向与小车的运动方向相反。 4物体的运动状态与受力情况的关系是( ) A.物体受力不变时，运动状态也不
13、变。 B.物体受力变化时，运动状态才会改变。 C.物体不受力时，运动状态就不会改变。D.物体不受力时，运动状态也可能改变。 5.火车在长直水平轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有。人向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为( ) A.人跳起后直至落地，在水平方向上人和车始终具有相同的速度。 B.人跳起后，车厢内的空气给他以向前的力，带着他随同火车一起向前运动。 C.人跳起的瞬间，车厢地板给他一个向前的力，推动他随同火车一起向前运动。 D.人跳起后，车继续向前运动，人落下后必定偏后一一些，只是由于时间很短，偏后距离太小，不明显而已。 答案:1.ABD 2.CD 3.BCD 4.C 5.A 阅读材料
14、：牛顿生平 牛顿是17世纪最伟大的科学巨匠。他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域。 牛顿12岁进金格斯中学上学。那时他喜欢自己设计风筝、风车、日规等玩意。他制作的一架精巧的风车，别出心裁，内放老鼠一只，名日“老鼠开磨坊”，连大人看了都赞不绝口。 牛顿在物理学上最主要的成就是发现了万有引力定律，综合并表述了经典力学的3个基本定律一惯性定律、力与加速度成正比的定律、作用力和反作用力定律；引入了质量、动量、力、加速度、向心力等基本概念，从而建立了经典力学的公理体系，完成了物理学发展史上的第一次大综合，建立了自然科学发展史上的里程碑。其重要标志是他于1687年所发表的自然哲学的数学原理这一巨著
15、。 在光学上，他做了用棱镜把白光分解为七色光(色散)的实验研究；发现了色差；研究了光的干涉和衍射现象，发现了牛顿环；制造了以凹面反射镜替代透镜的“牛顿望远镜”。1704年出版了他的(光学专著，阐述了自己的光学研究的成果。 在数学上，牛顿与德国莱布尼兹各自独立创建了“微积分学”；他还建立了牛顿二项式定理。牛顿在声学、热学、流体力学等方面也有不少研究成果和贡献。 牛顿的一生遇到不少争论和麻烦。例如，关于万有引力发现权等问题，胡克与他争辩不休，差点影响了原理的出版；关于微积分发明权的问题，与莱布尼兹以及德英两国科学家争吵不止，给内向的牛顿带来极大的痛苦。40岁以后，他把兴趣转向政治、化学(贱金属变成黄金)、神学问题，写了近200万言的著作，毫无价值。常言道“人无完人，金无足赤”，牛顿也是如此。但是牛顿终归是伟大的牛顿，他的科学贡献将永载史册。
