4.1 牛顿第一定律 课件-2025-2026学年高一上学期物理教科版必修第一册

该高中物理课件聚焦牛顿第一定律及惯性，从古人对运动的观察和亚里士多德运动理论切入，衔接第一章运动学知识，构建从描述运动到探究运动原因的学习支架。 其亮点在于通过亚里士多德理论的讨论交流、伽利略理想实验的科学推理（科学思维），结合气垫导轨实验和汽车惯性现象的实证分析（科学探究），帮助学生建立运动与力的物理观念。自我评价题强化理解，学生能提升科学论证能力，教师可高效实施探究式教学。

物理 必修 第一册 第四章 牛顿运动定律 牛顿第一定律 1 物体的运动与人类的生活密切相关。古人狩猎、耕作等各种行为都涉及运动。大量物体的运动也是人们最易观察到和引起思考的自然现象。例如，日月星辰的运动就常常使人们浮想联翩，产生了许多关于太阳、月亮及其他星辰的美丽神话。人类认识世界大概就是从认识物体的运动开始的。 如何描述物体的运动？物体为什么会做这样那样的运动？古希腊人最先提出了这些问题，并建立了最早的运动理论。 在第一章中，关于如何描述物体的运动，我们已经在第一章学习了一些基本概念。在这些概念基础上建立起来的物理学分支，被称为运动学（kinematics）。 亚里士多德的运动理论 在古希腊的众多学者中，最认真、最系统地研究运动、空间和时间问题的是亚里士多德。这些工作体现在他的《物理学》一书中，这是世界上最早的物理学著作。英语中的物理学一词“physics”就源于此书。 亚里士多德把运动分为两大类——自然运动和受迫运动。在他看来，每个物体都有自己的固有位置，如火这类轻的物体的固有位置在上，气、水在中间，土在下。偏离固有位置的物体将做趋向固有位置的运动，于是烟火向上运动，重物向下运动，这些运动无须外力的帮助，自身就能实现，属于自然运动。而对于地面上的物体，如地面上的小车和桌面上的书本，唯有依靠推、拉等外力的不断作用才能使它们运动起来。所以这类运动被称为受迫运动。外力一旦消失，受迫运动也就停止了。 亚里士多德因其在多个学术领域的成就和影响，被世人视作不可动摇的权威，这在相当程度上束缚了人们的思想。此外，他对运动的看法比较符合人们的日常直觉，当时的人们还没有掌握认识世界的正确方法，所以在此后2000多年的漫长岁月中，人们接受了他的观点。 亚里士多德的运动理论 讨论交流 图4-1-1 （b）用力踢球，球才会运动起来 1.如图4-1-1所示的情景是不是就能支持“物体的运动是要靠力来维持的”这一观点？ 2.你认为亚里士多德的运动理论经得起推敲吗？能否举出你身边一些简单的自然现象或生活现象来否定他的观点？ （a）用力推石头，才能移动它 伽利略的研究工作 讨论交流 跨越漫长的中世纪，欧洲迎来了突破思想禁锢的文艺复兴。1564年，现代科学的奠基人伽利略诞生于意大利。他率先对亚里士多德的运动观提出了挑战。 伽利略对亚里士多德的理论进行了深入的研究。他领悟到，将人们引入歧途的，是日常能观察到的运动中难以避免的摩擦或空气、水等的阻力。 为了得到正确的线索，除了实验和观察外，还需要抽象思维。伽利略注意到，当一个球沿斜面滚下时，其速度增大，向上滚动时则速度减小。由此他推论：当球沿水平面滚动时，其速度应不增不减。 实际上，在水平面上滚动的球，会越滚越慢，最后停下来。伽利略认为，这并非是球的“自然本性”，而是摩擦的缘故 ；表面越光滑，球便会滚得越远 ；如果没有摩擦，球将永远滚下去。在地面上所有运动物体之所以会停下来，也都是因为摩擦的缘故。为了说明这个问题，结合对摆球运动的观察，伽利略设计了如图 4-1-2 所示的理想实验。 ▲ 图4-1-2 伽利略的理想实验示意图 亚里士多德的运动理论 图4-1-2中的小球沿左斜面向下运动，会越来越快；随后小球沿右斜面向上运动，会越来越慢。若摩擦可以忽略不计，小球最终会到达与左斜面同样的高度。改变右斜面的坡度，坡度越小，小球要达到同样的高度经过的坡长就会越长。由此，伽利略推测，如果右斜面变成水平面，并且没有任何阻碍，小球将达不到原来的高度，就应永远运动下去。由此，他否定了亚里士多德关于运动和力的关系的错误认识。 将小球扩展到各种物体，伽利略得到了初步的研究结果：原来运动的物体，如果没有其他物体的作用，将会一直保持运动下去。与伽利略同时代的物理学家、数学家、哲学家笛卡尔（Descartes，1596—1650）在他的《哲学原理》一书中进一步完善了伽利略的观点，指出：不受其他物体作用时，原来运动的物体将会做匀速直线运动。 ▲ 图4-1-2 伽利略的理想实验示意图 亚里士多德的运动理论 观察思考 如图4-1-3所示，把滑块放在水平气垫导轨上，调节导轨使它水平，并且在滑块和导轨之间形成气垫，在这样的情况下滑块沿气垫导轨运动时受到的阻力很小。推一下滑块，观察滑块沿导轨运动的情况，判断滑块运动的性质。 ▲ 图4-1-3 气垫导轨上的滑块受到的合力是多少 牛顿第一定律 惯性 英国物理学家牛顿在总结伽利略、笛卡尔等人工作的基础上，完成了他的著作《自然哲学的数学原理》。在书中，牛顿（图4-1-4）把一切改变物体运动状态的作用定义为力，并提出了三条基本的运动定律。其中，牛顿第一定律(Newton first law) 的内容如下： 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。 牛顿第一定律表明：一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。我们把物体的这种性质，叫作惯性( inertia )。因此牛顿第一定律也称为惯性定律( law of inertia )。 牛顿运动定律发表在1687年出版的〈自然哲学的数学原理〉一书中，这是牛顿撰写的一本划时代的巨著。他只用几个基本的概念和原理，就以简单而完备的方式说明了行星和卫星的运行、彗星和落体的运动、海洋的潮汐、大气的流动、车辆行驶及桥梁的受力等，使人类对大自然的了解获得了前所未有的扩展与统一。这本书的出版，促进了自然科学各门学科的发展，同时在人类的文化领域也产生了巨大的影响。 ▲ 图4-1-4 牛顿 （Isaac Newton，1643—1727） 牛顿第一定律 惯性 当物体受到外力作用时，惯性的存在会阻碍物体自身运动状态的变化。例如当汽车启动时，车上的乘客会向后倾倒，这是因为汽车已经开始前进，乘客的脚受到汽车的作用而随车前进，由于惯性，其身体仍要保持静止状态，所以相对汽车会向后倾倒。反之，当汽车刹车时，车上的乘客会向前倾倒，这是因为乘客的脚受到汽车的作用而随车减速，由于惯性，其身体仍要保持原来的运动状态（速度）前进，所以相对汽车会向前倾倒，如图4-1-5所示。大量事实说明，任何物体，无论处于什么状态，都具有惯性。惯性是物体固有属性，物体的运动并不需要力来维持。 ▲ 图4-1-5 汽车上的惯性现象 （a）汽车启动 （b）汽车刹车 质量是惯性大小的量度 物体惯性的大小，表现为保持自身原有的运动状态不变的能力大小。经验告诉我们，在相同的力的作用下，质量大的物体运动状态难改变，我们就说它惯性大；质量小的物体运动状态容易改变，我们就说它惯性小。因此，可用物体质量的大小来描述它惯性的大小，即质量是物体惯性大小的量度。 生产中常用的柴油机、电动机等机器配有沉重的底座，参加作战任务的战斗机却要抛掉副油箱（图4-1-6）以减小质量，都是通过改变质量来改变自身的惯性的。在许多体育运动项目中，也有选择性地通过改变质量来利用或克服惯性。体操运动员要求有灵活的动作表现，而相扑运动员则不希望被别人摔倒，所以体操运动员的质量比相扑运动员要小得多。从第46届世乒赛开始，乒乓球改用“大球”，即直径由之前的38 mm 改为40 mm。大球“笨重”的球体，将使得球速变慢、旋转减缓，增多了比赛的回合，带来了更丰富的技术展现，增添了比赛的观赏性（图 4-1-7）。 ▲ 图4-1-6 ▲ 图4-1-7 自我评价 1.有的同学说：物体不受外力作用时，才有惯性；受外力作用时，就没有了惯性。这种说法对吗? 解:　这种说法错误。物体有保持自身原有的静止状态或匀速直线运动状态的性质，我们把物体的这种性质叫作惯性。惯性是物体的一种性质，一切物体在任何情况下都具有惯性，所以物体不受外力作用时具有惯性，受外力作用时也具有惯性。 自我评价 2.牛顿第一定律指出运动不需要力来维持，但我们骑自行车时必须不断地蹬脚踏板，才能维持车的运动，这与牛顿第一定律相矛盾吗? 解:　不矛盾。因为自行车运动时受到来自地面的向后的摩擦力、空气阻力等阻力作用，如果不蹬车ꎬ车的速度将减小，运动状态就要改变，不断地蹬脚踏板，就是为了克服阻力，从而保证自行车持续运动。 自我评价 3.牛顿第一定律中的“匀速直线运动状态或静止状态”以及“改变这种状态”通常情况下都是相对什么参考系而言的? 解:　牛顿第一定律中的“匀速直线运动状态或静止状态”以及“改变这种状态”，通常是以地面或相对地面静止的物体为参考系而言的。 自我评价 4.爱因斯坦曾多次阐述惯性定律 ：“当一物离开他物足够远时，将一直保持静止状态或匀速直线运动状态。”试将此表述与牛顿的表述进行比较。 解:　“一物离开他物足够远” ，表明此物体没有受到力的作用，即没有力改变物体的运动状态，物体将保持静止或匀速直线运动状态， 可见爱因斯坦的表述与牛顿的表述本质上是相同的，但牛顿的表述还指出了“力是改变物体运动状态的原因” 。 自我评价 5.关于惯性大小，下列说法中正确的是（ ） A.推动原来静止的物体比推动正在运动的物体所需要的力大，所以静止的物体惯性大 B.正在行驶的质量相同的两辆汽车，行驶快的不容易停下来，所以速度大的物体惯性大 C.同样的力作用在不同的物体上时，质量大的物体运动状态改变慢，所以质量大的物体惯性大 D.在月球上举重比在地球上容易，所以同一物体在月球上比在地球上惯性小 解:　惯性是物体的固有属性，其大小只与物体的质量有关，质量越大，惯性越大。故 Ｃ 正确，Ａ、Ｂ、Ｄ 错误。 Ｃ 自我评价 6.伽利略创造的把实验、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4-1-8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（ ） 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，它将一直保持匀速直线运动或静止状态 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，它的运动状态就容易改变 解:　由于斜面上先后铺垫粗糙程度逐渐降低的材料，小球沿右侧斜面上升的最高位置依次为 １、２、３。即依次升高，所以得到的最直接的结论是：如果斜面光滑，小球将上升到与 Ｏ点等高的位置，Ｂ、Ｃ、Ｄ 三项都不能根据三次实验结果的对比直接得到。故 Ａ 正确，Ｂ、Ｃ、Ｄ 错误。 A O 3 2 1 ▲ 图4-1-8 本节结束！ 物理 必修 第一册 第四章 牛顿运动定律 牛顿第一定律 1 $