1、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 任务驱动 人推车走,不推车停,由此看来必须有力作用在物体上,物体才运动,没有力作用在物体上,物体就不运动这是两千多年前亚里士多德说的。这样的观点对吗?提示:不对。课前自主学习 1.伽利略理想实验:小球沿斜面由静止滚下,再滚上另一斜面,如不计摩擦,小球 将滚到原高度处,减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到_,若将斜面放平后,球将_。2.伽利略理想实验的本质是_,抓住事物的本质。3.伽利略通过“理想实验”和科学推理,得出的结论是:_ _。同一高度 永远滚动下去 想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉 力不是维持物体运动的
2、原因 二、牛顿第一定律 1.内容:一切物体总保持_,除非_ _。2.意义:(1)牛顿第一定律明确了_。(2)牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动状 态的原因。匀速直线运动状态或静止状态 作用在它上面的力 迫使它改变这种状态 力和运动的关系 三、惯性和质量 任务驱动 匀速行驶的汽车遇到紧急情况突然刹车时,车中乘客会向哪个方向倒?这是什么原因造成的?提示:向前,因为惯性导致。1.惯性定义:物体具有保持原来_状态或静止状态的性质。2.物体惯性大小的唯一量度:物体的_。匀速直线运动 质量 课堂互动探究 主题一 理想斜面实验 任务1 人们对力和运动的关系的认识过程【生活情境】情
3、境1:运动情境运动员将标枪从手中高速抛出,标枪在空中飞行很远才落地。(如图1所示)情境2:人们在乘坐汽车等交通工具时,都要求在行驶前系好安全带。(如图2所示)【问题探究】(1)情境1中,有人认为“标枪在空中向前飞行”时,是由于标枪一直受到向前的力的作用。这种观点与历史上哪位著名科学家相同?这种观点对吗?提示:亚里士多德 这种观点不对(2)情境2中,乘坐汽车的人系好安全带,可以有效减小在发生交通事故时对人的伤害,这是为什么?提示:系好安全带乘车,在发生交通事故时可以使人和车同时减速,以减小对乘客的伤害。任务2 理想斜面实验【实验情境】现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片【问题探究】上述实验可看成三
4、个情境,如图:(1)图甲中小球在对称斜面上由静止无摩擦滚下,能否到达对应的等高处?提示:因无摩擦,没有能量损失,小球能到达对应的等高处。(2)图乙中减小另一侧斜面倾角,小球从同一位置自由释放能否滚到等高处?滚动的水 平距离怎样变化?提示:小球从同一位置自由释放能滚到对应的等高处;滚动的水平距离增大。(3)图丙中把另一侧斜面放平,小球能否在平面上一直滚下去?提示:运动的小球在水平方向不受摩擦阻力,小球将匀速运动下去。(4)请同学们讨论回答:为什么说伽利略理想实验方法是科学的、结论是可靠的?提示:伽利略的理想斜面实验虽然是理想的实验,但它是建立在可靠的事实基础之上 的,以事实为依据、抓住主要因素、
5、忽略次要因素,从而揭示了正确的自然规律。【结论生成】1.历史上对力与运动关系的重要观点:人物亚里士多德(古希腊)伽利略(意大利)笛卡儿(法国)牛顿(英国)时期2 300年前16世纪中期16世纪晚期17世纪中期观点力是维持物体运动的原因物体的运动不需要力来维持物体运动状态的变化是有原因的力是物体运动状态改变的原因人物亚里士多德(古希腊)伽利略(意大利)笛卡儿(法国)牛顿(英国)依据根据直觉经验提出利用理想实验对经验进行科学推理,建立了科学的研究方法进一步补充和完善了伽利略的论点在前人基础上,根据自己研究,系统归纳,科学推理,总结得出定律结论错误片面(存在不足)进一步完善运动和力的关系奠定了动力学
6、基础2.伽利略的理想斜面实验:(1)现象:两个对接的斜面,让静止小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一个斜面。(2)推论:如果没有摩擦,小球将上升到释放时的高度。减小第二个斜面倾角,小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度。将第二个斜面放平,小球为了达到释放时的高度,将一直运动下去。(3)结论:物体的运动不需要力来维持,即力是改变物体运动状态的原因。3.运动状态改变的三种情况:物体的运动状态就是指物体的运动速度,运动状态改变就是指运动速度的改变,而速度是矢量,既有大小,又有方向。故运动状态改变有以下三种情况:速度的方向不变,大小改变,如匀加速直线运动。速度的方向改变,大小不变,如汽车拐弯时保持速率不变
7、的曲线运动。速度的方向改变,大小改变,如摆球的自由摆动。【典例示范】伽利略用实验和推理推翻了流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动关系的理论,开启了物理学发展的新纪元,下列说法与事实不相符的是()A.根据亚里士多德的论断,力是改变物体运动状态的原因 B.笛卡儿经研究指出: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,既不停下来也不偏离原来的方向 C.伽利略通过数学推算,并用实验验证了小球在斜面上从静止开始运动的位移与所用时间的平方成正比 D.牛顿总结伽利略等前人的经验,得出了牛顿第一定律【素养训练】1.(多选)科学家关于物体运动的研究对树立正确的自然观具有重要作用。下列说
8、法符合历史事实的是()A.亚里士多德认为,必须有力作用在物体上,物体的运动状态才会改变 B.伽利略通过“理想实验”得出结论:一旦物体具有某一速度,如果它不受力,它将以这一速度永远运动下去 C.笛卡儿指出: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,既不停下来也不偏离原来的方向 D.牛顿认为,物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质 2.理想实验有时更能深刻地反映自然规律。如图所示,伽利略设想了一个理想实验,其中有一个是实验事实,其余是推论。减小第二个斜面的倾角,小球在这一斜面上仍然要达到原来的高度。两个斜面对接,让静止的小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一个斜面。
9、如果没有摩擦,小球将上升到原来释放的高度。继续减小第二个斜面的倾角,最后使它成为水平面,小球将沿水平面持续地做匀速运动。(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)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.是事实,是推论 B.是事实,是推论 C.是事实,是推论 D.是事实,是推论【补偿训练】在牛顿第一定律建立的过程中,有多位伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献,下列说法中正确的是()A.亚里士多德根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因 B.牛顿根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原
10、因 C.伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因 D.笛卡儿根据理想斜面实验提出力是改变物体运动状态的原因【解析】选C。伽利略根据理想斜面实验提出力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动的原因,故C正确。主题二 牛顿第一定律【生活情境】情境1:滑冰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。情境2:用气垫导轨消除摩擦。让滑块在导轨上滑动,利用光电门测出滑块在不 同位置的速度。【问题探究】(1)如图1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,运动员减速很慢,所以可滑很远的距离。(2)如图2
11、所示,用气垫导轨消除摩擦。让滑块在导轨上滑动,利用光电门测出滑块在不同位置的速度,会发现不同位置的速度几乎不变,这说明物体受到的合力为零时,将做怎样的运动?提示:匀速直线运动。【结论生成】1.牛顿第一定律: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,它又叫惯性定律。2.牛顿第一定律理解:(1)牛顿第一定律的得出:牛顿第一定律不是从实验中直接得出的,它是在大量实验基础上通过进一步的科学推理得到的。由于这个通过进一步科学推理得出的科学推论经受住了实践的检验,虽然无法直接验证,但仍具有科学意义。(2)牛顿第一定律揭示了一切物体都具有保持原来的匀速直线运动状态或静
12、止状态的性质惯性。物体惯性大小的唯一量度是物体的质量。(3)牛顿第一定律正确揭示了力和运动的关系,纠正了力是维持物体运动的原因的错误观点,明确指出了力是改变物体运动状态的原因。【典例示范】(多选)关于牛顿第一定律,下面说法中正确的是()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.牛顿第一定律就是惯性 C.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 D.运动的物体状态发生变化时,物体必定受到外力的作用【规律方法】牛顿第一定律巧应用(1)由“因”索“果”:在判断力与运动之间的关系时,一定要把握准牛顿第一定律的含义,即力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原
13、因。(2)由“果”索“因”:如果物体的运动状态发生改变,则物体必然受到不为零的合外力的作用,所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变,应分析物体的受力情况。(3)应用步骤: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。【素养训练】1.(多选)关于牛顿第一定律的理解正确的是()A.牛顿第一定律是实验定律 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
14、2.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【解析】选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,A项、B项错误;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,C项正确;物体静止时不受外力或合外力为零,D项错误。【补偿训练】1.行驶的汽车在刹车后能静止,这 是因为()A.汽车的惯性消失了 B.阻力的作用改
15、变了汽车的运动状态 C.汽车的惯性小于汽车的阻力 D.汽车在刹车过程中受到平衡力的作 用而静止【解析】选B。汽车原来是运动的,刹车后,汽车由于惯性仍保持原来 的运动状态,继续向前运动;但在运 动过程中会受到摩擦阻力的作用,所以最终要停下来,故B正确,A、C、D错误。2.(多选)下列说法中正确的是()A.水平路面上用力推车,车才前进,人停止推车,车就会逐渐停下来 B.力作用在物体上,物体才能动,没有力的作用,物体就不能运动 C.地面上滑行的物体会停下来,是由于受摩擦力作用的结果 D.物体以一定的初速度在不同的地面上滑行,摩擦力越小,滑行的距离越大 主题三 惯性和质量【生活情境】情境1:赛车可以在
16、赛场中快速加速 情境2:货车启动过程中的加速缓慢【问题探究】(1)赛车与货车的牵引力相差不大,但在由静止启动时,赛车的运动状态很容易发生改变,速度急速增加,而货车的运动状态很难改变,速度只能缓慢增加,这是为什么?提示:货车的质量远大于赛车的质量,质量大的物体惯性大,运动状态不容易改变。(2)刹车时,货车很难停下来;而赛车很容易停下来。这是为什么?提示:质量大惯性大,运动状态不容易改变。(3)有的同学总认为:惯性与物体 的运动速度有关,速度大,惯性大;速度小,惯性就小。理由是物体 的运动速度大不容易停下来,这 种看法对吗?提示:不对。惯性的大小与速度无 关,只与物体的质量大小有关。【结论生成】1
17、.对惯性的理解:(1)惯性是物体的固有属性,任何物体在任何状态下都有惯性。物体的惯性与物体的地理位置、运动状态、受力情况无关。因此物体的惯性是不能被克服的。(2)惯性不是力,惯性是物体具有的保持匀速直线运动状态或静止状态的性质,力是物体对物体的作用,惯性和力是两个不同的概念。(3)表现形式 在不受力的条件下,惯性表现出“保持”“原来的”运动状态的性质,有“惰性”的意思。在受力条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度,质量越大、惯性越大,运动状态越难以改变。2.惯性的量度:质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大、惯性越大;质量越小、惯性越小;质量不变,惯性不变。3.惯性和惯性定律:惯性 惯性定律
18、 基本 含义 物体的一种属性 物体运动的规律 理解 要点 与是否运动无关,与速度大小无关 与是否受力无关 与所在位置无关(在地球、月球上都一样)只与质量有关 物体的运动具有“惰性”,“力”是改变这种“惰性”的唯一原因 惯性越大,运动状态越难改变 惯性 惯性定律 与力的 关系 无关 惯性不是一种特殊的力 强调了“力”的作用效果改变运动状态(产生加速度)联系与 区别 由于物体具有惯性,所以运动不需要力来维持 惯性是物体的属性,惯性定律是物体的运动规律【典例示范】如图所示是一种汽车安全带控制装置示意图。当汽车处于静止或匀速直线运动时,刹车摆锤竖直悬挂,锁棒水平,棘轮可以自由转动,安全带能被拉动。当汽
19、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,汽车的可能运动方向和运动状态是()A.向右行驶、匀速直线运动 B.向左行驶、匀速直线运动 C.向右行驶、突然刹车 D.向左行驶、突然刹车【解析】选C。若汽车做匀速直线运动,则摆锤不会从实线位置摆到虚线位置,故A、B均错误;由图可知摆锤向右摆动,可知摆锤具有水平向左的加速度,故汽车加速度向左,汽车可能向左加速或向右减速,故C正确、D错误。【规律方法】利用惯性解释现象的方法(1)明确研究的物体原来处于怎样的运动状态。(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
20、上)时,这一部分的运动状态的变化情况。(3)该物体由于惯性保持怎样的运动状态,判断最后会出现什么现象。【素养训练】1.对于一些实际生活中的现象,某同学试图从惯性角度加以解释,其中正确的是()A.采用了大功率的发动机后,某些一级方程式赛车的速度甚至能超过某些老式螺旋桨飞机的速度,这表明:可以通过科学进步使小质量的物体获得大惯性 B.“强弩之末,势不能穿鲁缟”,这表明强弩的惯性减小了 C.货运列车运行到不同的车站时,经常要摘下或加挂一些车厢,这会改变它的惯性 D.摩托车转弯时,车手一方面要适当地控制速度,另一方面要将身体稍微向里倾斜,这是为了通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的 2.关于物体的惯
21、性,以下说法正确的是()A.物体的运动速度越大,物体越难停下来,说明运动速度大的物体惯性大 B.汽车突然减速时,车上的人向前倾,拐弯时人会往外甩,而汽车匀速前进时,车上的人感觉平稳,说明突然减速和拐弯时人有惯性,匀速运动时没有惯性 C.在同样大小的力的作用下,运动状态越难改变的物体,其惯性一定越大 D.在长直水平轨道上匀速运动的火车上,门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起后,发现落回原处,这是因为人跳起后,车继续向前运动,人落下后必定向后偏些,但因时间太短,偏后距离太小,不明显而已 3.公交车在路口转弯前,车内广播中就要播放录音:“乘客们请注意,前面车辆转弯,请拉好扶手。”这样可以提醒全体乘客,特别
22、是站着的乘客,以免车辆转弯时可能()A.向前倾倒 B.向后倾倒 C.向转弯的外侧倾倒 D.向转弯的内侧倾倒【解析】选C。在公交车到达路口前,乘客具有与汽车相同的速度,当车辆转弯时,因为惯性,乘客要保持向前的速度,这样转弯时乘客有向转弯的外侧倾倒的可能。所以车内播音员提醒主要是提醒站着的乘客拉好扶手,以免车辆转弯时可能向转弯的外侧倾倒。所以C项正确。A、B、D错误。【补偿训练】(多选)关于物体的惯性,下列说法正确的是()A.质量就是惯性 B.物体运动遵循牛顿第一定律,是因为物体有惯性 C.一人飞跑时不易被别人挡住,是因为飞跑时的惯性要比走路时大 D.从受一定牵引力作用下的汽车上不断卸下货物,汽车速度的变化不断加快【课堂回眸】