第四章 1.牛顿第一定律-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理必修第一册学习手册（人教版2019）

* + , - . / !"012345 ６２　 学 第四章　运动和力的关系 １．通过实验，探究物体运动的加速度与物 体受力、物体质量的关系。 ２．理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律 解释生产生活中的有关现象、解决有关 问题。 ３．通过实验，认识超重和失重现象。 ４．知道国际单位制中的力学单位。了解单 位制在物理学中的重要意义。 运 动 和 力 的 关 系 牛 顿 第 一 定 律 伽利略的科学研究方法：“理想实验”和 “科 　　　　　　　　　　　学推理” 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 惯 性 定义：物体具有保持原来匀速直线运动 　　　状态或静止状态的性质 量度： {                质量是物体惯性大小的唯一量度 牛顿 第二 定律 内容：物体的加速度跟它受到的作用力成 　　　正比，跟物体的质量成反比 表达式：Ｆ＝ｍａ，此式成立的条件是各物 　　　　        理量的单位均取国际单位 力学 单位制 基本概念：基本量、基本单位、导出单 　　　　　位、国际单位制{                              力学中的三个基本物理量及单位 运 动 和 力 的 关 系 牛顿 运动 定律 的应 用 动力学的两 类基本问题 由受力情况确定运动情况{由运动情况确定受力情况 超重 和失 重 超重：Ｆ＞Ｇ，ａ方向向上 失重：Ｆ＜Ｇ，ａ方向向下 完全失重：Ｆ＝０，ａ＝ｇ， {        方向向下 实验：          用控制变量法探究牛顿运动定律 １．牛顿第一定律 （惯性定律）。 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。 ２．牛顿第二定律。 （１）定律内容：物体加速度的大小跟它受 到的作用力成正比，跟它的质量成反 比，加速度的方向跟作用力的方向 相同。 （２）表达式：Ｆ＝ｍａ。 １．本章是在前面三章内容的基础上进一步 研究运动和力的关系，这是质点动力学 内容。牛顿运动定律是动力学的核心内 容，根据牛顿运动定律可以确定物体位 置、速度变化的规律，可以控制物体的 运动。牛顿运动定律对直线运动、曲线 运动都适用，为便于理解，本章牛顿运 动定律的应用只限于物体的直线运动                                                         。 !E#$%&FD'GH 　学 ６３　 ２．牛顿运动定律是高中物理的主干知识， 占有重要的地位，是高中物理的一个重 点，也是高考的热点，年年都有这方面 的考题。高考命题中对本章内容的考查 有惯性、力与运动的关系、加速度与力 的关系、超重与失重。题型有选择题、 计算题。方法有整体法、隔离法、数图 转换、函数论证、临界极值法、控制变 量法。能力有理解能力、推理能力、分 析综合能力、应用数学处理物理问题的 能力、实验能力。试题难度中等。 高考试题会综合牛顿运动定律和运动学 规律，注重与电场、磁场的渗透，注重与生 产、生活、当今热点、现代科技的联系，注 意社会责任、科学态度等要素的渗透，例 如：２０２１年辽宁高考物理试卷第１３题考查 机场传送带问题。 ３．备考中应注意以下几点： （１）牢记基础知识，熟练掌握基本方法， 积累消化基础模型，努力拓展新情景 下的应用。 （２）准确把握物理考向：牛顿运动定律的 理解、动力学的两类基本问题、超重 与失重、连接体问题、动力学中的图 像问题、板块模型与多过程问题、传 送带问题、实验的理解创新与改进。 （３）每一个考向都要针对训练。 （４）多关注当今与物理学有关的热点与现 代科技                              。 １．牛顿第一定律 知识点１　理想实验的魅力 １．人类对运动与力的关系的认识历程。 代表人物 主要观点 亚里士多德 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 伽利略 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 笛卡儿 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 ２．伽利略的理想实验。 （１）斜面实验：让静止的小球从第一个斜 面滚下，冲上第二个斜面，如果没有 摩擦，小球将上升到原来释放时的高 度。减小第二个斜面的倾角，小球滚动 的距离增大，但所达到的高度相同。当 第二个斜面放平，小球将永远运动下去。 （２）推理结论：力不是维持物体运动的 原因。 知识点２　牛顿第一定律 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                           。 * + , - . / !"012345 ６４　 学 ２．惯性：物体具有保持原来匀速直线运动 状态或静止状态的性质叫惯性。牛顿第 一定律也叫作惯性定律。 要点１　对牛顿第一定律的理解 １．明确了一切物体所具有的一种固有属性 ———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 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 这种状态”，实质上揭示了力和运动的 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０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。 ４．牛顿第一定律是在理想实验的基础上经 过科学推理得到的，但由它得出的一切 结论，都经受了广泛、严谨的实验检验， 证明结论是正确的。 例１　伽利略创造出把实验、假设和逻辑推 理相结合的科学方法，有力地促进了人类科 学认识的发展。利用如图所示的装置做如下 实验：小球从左侧斜面上的 Ｏ点由静止释 放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升。 斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材 料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依 次为１、２、３。根据三次实验结果的对比， 可以得到的最直接的结论是 （　　） 　例１题图 Ａ．如果斜面光滑，小球将 上升到与 Ｏ点等高的 位置 Ｂ．如果小球不受力，它将一直保持匀速运 动或静止状态 Ｃ．如果小球受到力的作用，它的运动状态 将发生改变 Ｄ．小球受到的力一定时，质量越大，它的 加速度越小 　　注意根据实验现象得出最直接的结 论，强调最直接。 解析：根据题意，铺垫材料粗糙程度降低 时，小球上升的最高位置升高，当斜面绝对 光滑时，小球在斜面上没有能量损失，因此 可以上升到与 Ｏ点等高的位置，而 Ｂ、Ｃ、 Ｄ三个选项，从题目不能直接得出，所以Ａ 正确。 答案：Ａ 　　 （多选）下列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作用                                                                   时的运动规律 !E#$%&FD'GH 　学 ６５　 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的结果 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 要点２　对惯性的理解 １．惯性的特性。 （１）普遍性：惯性是物体的固有属性，一 切物体都具有惯性。 （２）无关性：惯性与物体的运动状态无关， 与物体所处的位置无关，无论物体处 于怎样的运动状态、处于何处，惯性 总存在。 （３）唯一性：质量是物体惯性大小的唯一 量度。 ２．惯性的表现形式。 （１）在物体不受外力时，惯性表现为保持 原来的静止状态或匀速直线运动状态。 （２）在物体所受合外力不为０时，惯性表 现为运动状态改变的难易程度，质量 越大，惯性越大，运动状态越难改变。 例２　关于物体的惯性，下列说法正确的是 （　　） Ａ．运动速度大的物体不能很快停下来，是 因为物体速度越大，惯性也越大 Ｂ．静止的火车启动时，速度变化慢，是因 为静止的物体惯性大 Ｃ．乒乓球可以被快速抽杀，是因为乒乓球 惯性小 Ｄ．在宇宙飞船中的物体不存在惯性 　　一切物体都具有惯性，注意惯性的 特性 （普遍性、无关性、唯一性）。 解析：惯性大小只与物体质量有关，与物体 的速度无关，Ａ错误；质量是物体惯性大小 的唯一量度，火车速度变化慢，表明它的惯 性大，是因为它的质量大，与是否静止无 关，Ｂ错误；乒乓球能被快速抽杀，表明它 的运动状态容易发生改变，是因为它的惯性 小，Ｃ正确；一切物体在任何情况下都有惯 性，Ｄ错误。 答案：Ｃ 　　关于惯性，下列说法正确的是 （　　） Ａ．受力越大的物体惯性越大 Ｂ．速度越大的物体惯性越大 Ｃ．已知物体在月球上所受的重力是地球上 的 １ ６，故一个物体从地球移到月球惯性减 小为原来的 １ ６ Ｄ．质量越大的物体惯性越大 惯性参考系 　　对一切运动的描述，都是相对于某个参 考系的。参考系选取的不同，对运动的描 述，或者说运动方程的形式，也随之不同。 在有些参考系中，不受力的物体会保持相对 静止或匀速直线运动状态，其时间是均匀流 逝的，空间是均匀和各向同性的。                                                                   在这样的 * + , - . / !"012345 ６６　 学 参考系内，描述运动的方程有着最简单的形 式，此参考系就是惯性参考系 （惯性系）。 　　朗道 《场论》 （主要是相对论电动力 学）给出的定义：牛顿第一定律成立的参 考系叫作惯性系 （原文直接说在这样的参 考系中，一个不受相互作用的粒子将保持相 对静止或匀速直线运动）。这个定义在牛顿 力学和狭义相对论中均适用。 　　①牛顿第一定律定义了惯性系。 　　②牛顿力学在惯性系中成立 （在相对 论中，修正为麦克斯韦方程组和相对论力学 在其中成立）。 　　这样就不存在逻辑循环，同时也说明， 牛顿第一定律不是牛顿第二定律在 Ｆ＝０时 的特殊情况。 　　在空间中，相对于任何参考点 （静止 中或移动中），一个运动中的粒子的位移、 速度和加速度都可以通过测量计算而求得。 虽然如此，经典力学假定有一组特别的参考 系。在这组特别的参考系内，大自然的力学 定律呈现出比较简易的形式，称这些特别的 参考系为惯性参考系 （惯性系）。惯性系有 个特性：两个惯性系之间的相对速度必是常 数；相对于一个惯性系，任何非惯性参考系 （非惯性系）必定呈加速度运动。所以，一 个净外力是０的点粒子在任何惯性参考系内 测量出的速度必定是常数；只有在净外力非 ０的状况下，才会有点粒子加速度运动。因 为万有引力的存在，并无任何方法能够保证 找到净外力为０的惯性系。实际而言，相对 于遥远星体呈现常速度运动的参考系应是优 良的选择。 　　惯性系是不存在引力作用、不存在自身 加速度的 “自由”参考系。在经典力学中， 这是一种理想参考系：由于宇宙空间中无处 不存在引力，实际的惯性系是不存在的。在 广义相对论中，由于引力作用和加速度是完 全等效的，对于一个在引力场中做自由落体 运动的参考系，引力作用和自身加速度的作 用抵消。这样的参考系，是一个真实的 “自由”参考系。由于引力场在空间中的分 布是不均匀的，惯性系只可能是局域的，也 被称为局域惯性参考系。宇宙中不存在全局 惯性参考系。 　　一个参考系是不是惯性系，只能由实验 确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立 与否。根据伽利略相对性原理，和一个惯性 系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的 参考系也是惯性系。在实践中，总是根据实 际需要选取近似的惯性系。比如，在研究地 面上物体小范围内的运动时，地球是一个良 好的惯性系。实践表明，对于一般工程技术 中的动力学问题，与地球相固结的坐标系是 一个很好的近似的惯性系。在研究太阳系中 天体的运动时，太阳是一个很好的惯性系。 变式训练答案                                                              １．ＡＢＤ　２．Ｄ