4.1 牛顿第一定律 讲义 -2025-2026学年高一上学期物理人教版必修第一册

第四章-运动和力的关系 （第1节 牛顿第一定律） 一、伽利略理想实验的方法和意义 1、内容 “科学推理” 的方法 实验事实：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． 推理1：如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度． 推理2：减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍要达到原来的高度． 推理3：继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球沿水平面永远运动下去． 实验结论：力不是维持物体运动的原因 意义 伽利略在理想实验中所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，它标志着物理学的真正开端，使人类对自然的认识由经验型转变为科学理论型．伽利略对科学的贡献就在于推翻直觉的观点而用新的观点代替它 伽利略观点：物体之所以能停下来，是因为受到了摩擦阻力的作用，假设没有摩擦，一旦物体具有某一速度，物体将保持这个速度永远运动下去，即物体的运动不需要力来维持。 例题：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，如图所示的斜面实验，其中有一个是实验事实，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，最后使它成一水平面，小球要沿水平面永远运动下去． 请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列______________________________ (只要填写序号即可)． 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．①是事实，②③④是推论 B．②是事实，①③④是推论 C．③是事实，①②④是推论 D．④是事实，①②③是推论 【答案】②③①④　B 【解析】体会伽利略的理想实验，可知排列顺序为②③①④，分类正确的是选项B. 【方法总结】理解理想实验，应注意以下几点 (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． 2、牛顿第一定律发现史 ①亚里士多德：力是物体运动的原因。 ②伽利略：力不是维持物体运动的原因（理想斜面实验）。 ③笛卡儿：如果匀速直线运动的物体不受外力，它将保持原来的运动状态不变。 （亚里士多德、伽利略和笛卡儿的时代并无力的概念，这里是为了表述方便借用了力的概念） ④牛顿：总结伽利略和笛卡儿的工作，抽象出力的概念，定义惯性。 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。 注意：物体运动状态的变化 当物体的速度发生变化时，则这个物体的运动状态发生了变化．物体的运动状态变化有以下三种情况： (1)速度的方向不变，只有大小改变． (2)速度的大小不变，只有方向改变． (3)速度的大小和方向都发生改变． 2、适用范围：惯性参考系 在研究地面上的物体时，一般选取地面或相对于地面静止或做匀速直线运动的物体作为参考系，这样的参考系就是惯性系，相对于地面做变速运动的参考系就是非惯性系。 例如：火车沿平直轨道匀速运动时，可将火车看作惯性系来研究火车内部其他物体的运动。 火车由静止开始加速启动时,如果以火车为参考系,原来静止在火车内水平光滑桌面上的物体会相对于火车向后做加速运动,但物体在水平方向上并没有受力,因此牛顿第一定律不成立，此时火车为非惯性系。 例题1：关于牛顿第一定律，下列说法中正确的是(　　) A．牛顿第一定律是利用逻辑思维对事物进行分析的产物，不可能用实验直接证明 B．不受力作用的物体是不存在的，故牛顿第一定律的建立毫无意义 C．牛顿第一定律表明，物体只有在不受外力作用时才具有惯性 D．牛顿第一定律表明，物体只有在静止或做匀速直线运动时才具有惯性 A【解析】牛顿第一定律是牛顿在伽利略等前人实验的基础上，根据逻辑推理得出的，是以实验为基础，但又不是完全通过实验得出，故A正确；虽然在地球上不受力作用的物体是不存在的，但牛顿第一定律给出了物体不受力作用时的运动规律，是牛顿第二定律的基础，也为科学的发展奠定了基础，故B错误；牛顿第一定律表明物体具有保持原来运动状态的性质，即惯性，惯性的大小与物体的受力情况和运动情况均无关，故C、D错误． 例题2：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 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 ABD【解析】：牛顿第一定律描述了物体不受外力作用时的状态，即总保持匀速直线运动状态或静止状态，A、B正确；牛顿第一定律还揭示了力和运动的关系，力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动状态的原因，在水平地面上滑动的木块最终停下来，是由于受到摩擦阻力的作用而改变了运动状态，飞跑的运动员遇到障碍而被绊倒，是因为他受到外力作用而改变了原来的运动状态，C错误，D正确． 三、惯性和质量 1、惯性 （1）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，叫做惯性。 （2）性质：惯性是一切物体都具有的性质，是物体的_固有属性_，与物体的运动情况和受力情况无关。 （3）特性 ①普遍性：惯性是一切物体都具有的性质，是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。 ②无关性：惯性与物体的运动情况和受力情况及地理位置无关。 ③唯一性：质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大。 （4）惯性与力 ①惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，始终具有且与外界条件无关；力只有在物体间相互作用时才有，离开了物体就无所谓力．因此说“物体受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”等都是错误的． ②力是改变物体运动状态的原因，惯性是维持物体运动状态的原因．对同一物体，力越大，运动状态越易改变；惯性越大，运动状态越难改变． ③惯性与物体的受力情况无关．惯性与力的区别可由下表反映 惯性 力 物理意义 物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质 物体间的相互作用 存在条件 是物体本身的固有属性，始终具有，与外界条件无关 力只有在物体间发生相互作用时才有 量度 有大小(无具体数值，也无单位)，无方向 有大小、方向、作用点及单位 （5）惯性与速度 ①速度是表示物体运动快慢的物理量，是矢量，惯性是物体本身固有的属性，其大小由物体的质量决定． ②一切物体都具有惯性，和物体是否有速度及速度的大小无关． 例题1：关于惯性的大小，下面说法中正确的是(　　) A．两个质量相同的物体，速度大的不容易停下来，所以速度大的物体惯性大 B．在月球上举重比在地球上容易，所以质量相同的物体在月球上比在地球上惯性小 C．推动地面上静止的物体，要比维持这个物体做匀速运动所需的力大，所以物体静止时惯性大 D．两个质量相同的物体，不论速度大小，它们的惯性的大小一定相同 D【解析】物体的惯性只与物体的质量有关，两个质量相同的运动物体，惯性大小相等，与速度和所处位置无关，故A、B、C错误，D正确． 例题2：下列关于惯性的说法中，正确的是（　　） A．汽车刹车时，乘客的身子会向前倾斜，是因为汽车有惯性 B．做匀速直线运动的物体和静止的物体没有惯性 C．物体的惯性只有在物体速度改变时才表现出来 D．物体都具有惯性，与物体是否运动无关，与物体速度是否变化也无关 D【解析】解：A、刹车前，汽车和乘客共同以较大的速度向前行驶，当突然刹车时，汽车由于阻力作用突然减慢速度，而乘客由于惯性还要保持原来较大的速度向前运动，因此乘客会向前倾倒。故A错误。B、做匀速直线运动的物体和静止的物体也有惯性。故B错误。C、物体的惯性是物体有固有属性，与速度是否变化无关。故C错误。D、任何物体都有惯性，与物体是否运动无关，与物体速度是否变化也无关。故D正确。 2、质量 （1）定义：物体所含物质的多少 （2）不同质量的物体，维持其原有运动状态的能力不同，质量越大的物体维持原有运动状态的能力越强，即物体的惯性大 3、关于惯性的几种错误认识 (1)认为惯性与物体运动状态有关.惯性是物体的固有属性,不论物体处于什么样的运动状态,也不论物体处于什么样的位置,物体均具有惯性,认为物体静止时有惯性而运动起来就没有惯性了,物体由地球移到太空中惯性就没有了等观点都是错误的. (2)认为惯性是一种力.实际上力和惯性是两个不同的概念,力能改变物体的运动状态,而惯性却要使物体保持原来的运动状态 (3)认为惯性就是惯性定律.牛顿第一定律也叫惯性定律,它揭示了一切物体都具有惯性的本质,惯性是反映物体抵抗运动状态变化的本领,与惯性定律的本质是不同的. (4)认为物体只有在匀速直线运动或静止时才有惯性,物体加速或减速时就没有惯性了.实际上这种错误是受惯性概念的束缚,物体具有保持原有运动状态的性质叫惯性,不限于静止或匀速直线运动,惯性与物体运动速度大小无关. 举例：思维惯性、行为惯性 4、物体的惯性现象的两种表现 (1)在不受力的条件下,惯性现象表现出“保持”“原来的”运动状态的性质,有“惰性”的意思 (2)在受力的条件下,惯性现象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. 例题：下列说法中正确的是(　　) A．惯性是物体只有在匀速运动或静止时才表现出来的性质 B．物体的惯性是指物体不受外力作用时保持匀速直线运动状态或静止状态的性质 C．物体不受外力作用时，保持匀速直线运动状态或静止状态，有惯性；受到外力作用时，不能保持匀速直线运动状态或静止状态，因此无惯性 D．惯性是物体的属性，与物体的运动状态和是否受力均无关 D【解析】惯性是物体的固有属性，与物体的运动状态和受力情况均无关，故只有D正确． 四、应用牛顿第一定律分析问题 例题1： (多选)在水平路面上有一辆匀速行驶的小车，车上固定着盛满水的碗．若突然发现碗中的水向右洒出，如右图所示，则关于小车在此种情况下的运动，下列描述正确的是(　　) A．小车匀速向左运动 B．小车可能突然向左加速运动 C．小车可能突然向左减速运动 D．小车可能突然向右减速运动 BD【解析】若车原来向左匀速运动，突然开始向左加速运动，碗随车开始向左加速，根据牛顿第一定律可知，碗中水由于惯性仍保持原来的匀速运动状态，水相对于碗向右运动，水向右洒出，选项A错误，B正确；若车突然向左减速运动，碗随车一起开始减速，根据牛顿第一定律可知，水由于惯性，仍保持向左的匀速运动，水相对于碗向左运动，水向左洒出，选项C错误．若车原来向右匀速运动，突然向右减速运动，碗随车开始向右减速，根据牛顿第一定律可知，水由于惯性仍要保持向右的匀速运动状态，水相对于碗向右运动，水将向右洒出，选项D正确． 【规律总结】应用牛顿第一定律分析问题的一般思路 (1)确定某一物体(或系统)为研究对象； (2)分析物体(或系统)原来的运动状态； (3)找出物体(或系统)因受力而改变运动状态的那部分； (4)明确不受力部分的运动状态不改变； (5)对联系实际的物理问题，应注意审题，并简化为物理模型，使分析求解更为清晰． 例题2：如图所示，在一辆表面光滑的小车上，有质量分别为m1和m2的两个小球(m1>m2)随车一起匀速运动．当车突然停止时，如不考虑其他阻力，设车无限长，则两个小球(　　) A．一定相碰 B．一定不相碰 C．不一定相碰 D．难以确定 B【解析】：因为小车表面光滑，因此，不论小车如何运动，两小球在水平方向均不受力，根据牛顿第一定律可知它们将保持匀速运动状态，又因为两球速度相等，故两球一定不会相碰． 例题3：如图，在车厢中的A是用绳拴在底部上的氢气球，B是用绳挂在车厢顶的金属球，开始时它们和车顶一起向右做匀速直线运动，若忽然刹车使车向右做匀减速运动．则下列哪个图能正确表示刹车期间车内的情况(　　) （提示：注意氢气和空气的密度问题） D【解析】：开始时金属球、车厢及氢气球有向右的相同速度，突然刹车使车厢做减速运动时，由于金属球比车厢内同体积的空气质量大，惯性大，运动状态不易改变，相对车厢还是向右运动，因此B向右偏，故B、C错误；氢气球虽然有惯性因为氢气密度小，空气的密度大(惯性比气球大)，所以向前会撞到空气，力的作用是相互的，被空气向后推开，相对车厢向左运动，故A错误，D正确． 学科网（北京）股份有限公司 $