第四章运动和力的关系
第1节牛顿第一定律
一、对力与运动关系的认识
1.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，物体就要静止在某个地方。
2.伽利略
(1)理想实验：让小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一斜面。如果没有摩擦，小球将到达原来的高度；属于事实属于理想化推论
减小第二个斜面的倾角，小球仍将达到原来的高度，但它要运动得远些；由此推断，若将第二个斜面放平，小球将永远运动下去。如图所示。
伽利略理想实验的魅力不仅体现在实验本身，更体现在实验的独特方法：在实验事实的基础上，进行合理的假设、外推。
(2)结论：力不是维持物体运动的原因。
3.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，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。
『判一判』
(1)只研究物体怎样运动而不涉及运动与力的关系的理论称运动学，研究运动与力的关系的理论称动力学。(√)
(2)伽利略认为力是改变物体运动状态的原因。(√)
(3)亚里士多德做了著名的斜面实验，研究了运动和力的关系。(×)
(4)物体受推力没动，是由于摩擦力的存在。(√)
二、牛顿第一定律惯性与质量
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。
2.意义：揭示了运动与力的关系，即力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。
3.惯性：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性。牛顿第一定律也被叫作惯性定律。
4.惯性与质量：决定物体惯性大小的物理量是它的质量，质量大的物体惯性大。说明惯性大小只由质量大小决定，与其他因素无关。
『判一判』
(1)物体具有的保持匀速直线运动状态或静止状态的性质叫惯性，牛顿第一定律又叫惯性定律。(√)
(2)物体运动快不易停下，说明速度大，惯性大。(×)
(3)惯性大小只与物体质量有关，质量大，惯性大。(√)
(4)将物体从地球上搬到月球上，惯性将减小。(×)
探究对牛顿第一定律的理解
■情境导入
如图所示，让一个小车从同一斜面上滑下，水平面上分别放置毛巾、木板和玻璃板，水平面与斜面平滑连接。仔细观察实验现象。
(1)实验观察到什么现象，说明了什么问题？
(2)如果没有摩擦力的作用，小车将会怎样运动呢？
(3)以上实验揭示了力和运动之间是什么关系？
『答案』(1)水平面越光滑，小车滑动的距离越远。说明摩擦力是阻碍物体运动的原因。
(2)如果没有摩擦力的作用，小车将永远运动下去。
(3)力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。
■归纳拓展
1.物体运动状态改变的三种情况
(1)速度的方向不变，大小改变。
(2)速度的大小不变，方向改变。
(3)速度的大小和方向同时改变。
注意：物体做匀变速直线运动时运动状态时刻在变，关键看速度是否变化，而不
是看加速度，实际上只要有加速度，物体的运动状态就改变。
2.对牛顿第一定律的理解
(1)力是改变物体运动状态的原因，物体受到力的作用它的运动状态就一定改变，故力是改变物体运动状态的原因。
(2)牛顿第一定律描述的状态是一种理想状态，它是在伽利略理想实验的基础上加以科学推理和抽象得到的，不可能用实验直接验证，因此牛顿第一定律不是实验定律。
(3)牛顿第一定律的适用范围为惯性参考系。
『例1』(多选)下列说法中正确的是()
A.牛顿第一定律是一条实验定律
B.牛顿第一定律说明了力是改变物体运动状态的原因
C.惯性定律与惯性的实质是相同的
D.物体的运动不需要力来维持
『解析』牛顿第一定律反映了物体在不受力的理想条件下所遵循的运动规律，不能通过实验验证，并非实验定律，选项A错误；牛顿第一定律说明物体的运动不需要力来维持，但要改变物体的运动状态则必须有力的作用，选项B、D正确；惯性是物体保持原来运动状态不变的一种性质，惯性定律则反映了物体在一定条件下的运动规律，选项C错误。
『答案』BD
『针对训练1』(多选)下列对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，是没有外力维持木块运动的结果
D.奔跑的运动员，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
『解析』牛顿第一定律描述的是物体不受外力作用时的运动规律，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，而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，是由于摩擦力的作用改变了其运动状态；奔跑的运动员，遇到障碍而被绊倒，是因为他受到外力作用而改变了运动状态，C错误，D正确。『答案』ABD
探究惯性与质量
■情境导入
(1)如图甲所示，公交车突然快速启动时，车上站着的乘客身体为什么会向后倾倒？
(2)如图乙所示，公交车在运行时突然急刹车，车内乘客身体为什么会向前倾倒？『答案』(1)当公交车突然快速启动时，乘客的鞋底受到车的摩擦力作用也随车运动，而身体由于要保持原来的静止状态，故向后倾倒。
(2)乘客随车一起运动，当急刹车时，车停止运动，乘客的鞋底受到车的摩擦力作用也随车停止运动，而身体由于要保持原来的运动状态，故向前倾倒。
■归纳拓展
1.惯性的“三性”
2.惯性的具体表现形式
(1)当物体不受外力或所受合外力为零时，惯性表现为保持原来的运动状态不变。原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持原来的速度继续运动。
(2)当物体受到外力作用时，惯性表现为改变运动状态的难易程度，物体的惯性越大，它的运动状态越难改变。
『例2』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：可以通过科技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”，表明弩箭的惯性减小了
C.货运列车运行到不同车站时，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—方面要适当地控制速度，另一方面要将身体向弯道内侧倾斜，这是为了通过调控人和车的惯性达到安全行驶的目的
『解析』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，这是功率增大的缘故，并非使小质量的物体获得大惯性，故A错误；“强弩之末，势不能穿鲁缟”，是由于弩箭速度减小了，而不是惯性减小了，弩箭的惯性不变，故B错误；货运列车运行到不同车站时，经常要摘下或加挂一些车厢，列车质量发生变化，惯性改变，故C正确；摩托车转弯时，车手一方面要适当地控制速度，另一方面要将身体向弯道内侧倾斜，人和车的质量没变，惯性没变，故D错误。
『答案』C
『针对训练2』打水漂是人类最古老的游戏之一(如图)，仅需要一块小瓦片，在手上呈水平放置后，用力水平掷出，瓦片擦着水面飞行，瓦片不断地在水面上向前弹跳，直至下沉。下列判断正确的是()
A.飞出时的初速度越大，瓦片的惯性一定越大
B.飞行时所用时间越长，瓦片的惯性一定越大
C.飞出去的距离越长，瓦片的惯性一定越大
D.瓦片的质量越大，惯性一定越大
『解析』惯性是物体本身具有的一种性质，惯性的大小只与物体的质量有关，所以瓦片的质量越大，惯性一定越大，与初速度、时间、飞行距离无关，故A、B、C错误，D正确。
『答案』D
1.(对伽利略理想实验的理解)图甲、乙分别表示伽利略对自由落体运动及运动和力的关系的研究过程，他开创了科学实验和逻辑推理相结合的重要科学研究方法。下列说法正确的是()
A.图甲中通过对小球在斜面上运动的研究，得出小球的自由落体运动是匀变速运动
B.图甲中先在倾角较小的斜面上进行实验，可以减小小球重力，使时间测量更容易
C.图乙中实验为“理想实验”，通过逻辑推理得出物体的运动需要力来维持
D.图乙中，在左侧斜面上由静止释放小球，小球可运动到比释放点更高的位置『解析』伽利略设想物体下落的速度与时间成正比，因为当时无法测量物体的瞬时速度，所以伽利略通过数学推导证明如果速度与时间成正比，那么位移与时间的二次方成正比；由于当时用滴水法计算，无法记录自由落体那么短的时间，伽利略让铜球沿阻力很小的斜面滚下，来“冲淡”重力的作用效果，而小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多，所用时间长得多，所以容易测量；伽利略做了上百次实验，并通过抽象思维在实验结果上做了合理外推，得出小球的自由落体运动是匀变速运动的结论，故A正确，B错误；伽利略用抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法得出物体的运动不需要力来维持，故C 错误；题图乙中在左侧斜面上由静止释放小球，小球不可能运动到比释放点更高的位置，故D错误。
『答案』A
2.(惯性与质量)关于惯性的叙述中正确的是()
A.惯性是物体保持原来运动状态的力
B.速度越大，物体的惯性也越大
C.同一物体在地球上的惯性比在月球上的大
D.不论在什么地方，物体的质量越大惯性也越大
『解析』惯性是物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质，不是力，选项A错误；惯性大小只与质量有关，与速度大小、是否受力等因素无关，同一物体在地球上和在月球上质量相同，惯性相同，选项D正确，B、C错误。
『答案』D
3.(惯性与质量)下列事例中，利用了物体的惯性的是()
A.①②
B.③④
C.①④
D.②③
『解析』②中打开降落伞是为了增大运动员受到的阻力，③中轮胎制成不平整的花纹是为了增大轮胎与地面的摩擦力，故选项C正确。
『答案』C
4.(对牛顿第一定律的理解)关于牛顿第一定律，下列说法正确的是()
A.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
B.牛顿第一定律是从实验现象归纳总结出来的
C.牛顿第一定律表明，物体在任何状态下都具有惯性
D.牛顿第一定律表明，外力的作用会改变物体的惯性
『解析』虽然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时的运动规律，是整个牛顿力学的基础，是有意义的，故A错误；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的，故B错误；惯性与运动状态无关，即不论是运动的还是静止的物体都具有惯性，故C正确；惯性仅由物体的质量决定，与外力无关，故D错误。
『答案』C