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第四章牛顿运动定律1牛顿第一定律1.知道伽利略的理想实验及其主要推理过程和推论,知道理想实验是科学研究的重要方法。2.理解牛顿第一定律的内容及意义。3.知道什么是惯性,会正确地解释与惯性有关的现象。一二三一、理想实验的魅力1.对力与运动关系的认识历程: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,物体就要静止在一个地方伽利略力不是维持物体运动的原因,而恰恰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一二三冰壶运动是冬奥会的正式比赛项目,如图所示。冰道上向前运动的一只冰壶,如果没有阻力,你能想象出它能“跑”多远吗?提示:运动着的冰壶,如果没有受到阻力的作用,它将一直运动下去。一二三2.伽利略的实验:伽利略的观察→当一个小球沿斜面向下运动时,它的速度增大,而向上运动时,它的速度减小伽利略的猜想→当小球沿水平面滚动时,它的速度应该是不增不减伽利略的推断→实际上球在水平面上滚动时速度会越来越慢,伽利略认为这是由于摩擦力的作用。他推断,若没有摩擦阻力,小球将永远运动下去一二三伽利略的实验1→将两个对称的斜面末端平滑地对接在一起,让小球沿一个斜面从静止滚下来,小球将滚上另一个斜面。伽利略认真观察注意到,球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。他断定高度上的这一微小差别是由于摩擦产生的,如能将摩擦完全消除的话,则高度将恰好相等伽利略的实验2→若使第二个斜面的倾角越来越小,则不管第二个斜面倾角多么小,球在第二个斜面上总要达到相同的高度,只是小球要通过更长的路径。最后,如果第二个斜面的倾斜度完全消除了(成为水平面),那么球从第一个斜面上滚下来之后,为达到原有高度将以恒定的速度在无限长的水平面上永远不停地运动下去一二三伽利略的结论→力不是维持物体运动的原因,也就是说,不是维持物体的速度的原因,而恰恰是改变物体运动状态的原因,即改变物体速度的原因,因此,一旦物体具有某一速度,如果它不受力,就将以这一速度永远地运动下去3.理想实验:伽利略的实验是无法实现的,因为永远也无法将摩擦完全消除掉,所以叫理想实验,又叫假想实验、思想上的实验。它是通过抽象思维设想出来而实际上无法做到的实验。伽利略的理想实验是在可靠事实的基础上进行抽象思维的一种科学推理。一二三二、牛顿物理学的基石——惯性定律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。这就是牛顿第一定律,又叫作惯性定律。牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物,不可能用实验直接验证。2.惯性:物体具有的保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫惯性。一二三一个在足球场上滚动的足球最终会静止下来,不会保持匀速直线运动状态,这与牛顿第一定律是否矛盾?为什么?提示:这与牛顿第一定律不矛盾。牛顿第一定律指出物体不受外力时将处于静止状态或匀速直线运动状态,即物体的运动状态不改变。只有在受外力的作用时,物体的运动状态才会改变。足球最终会静止下来,是因为它受到了摩擦力作用。一二三三、惯性与质量1.惯性大小表现为改变物体运动状态的难易程度。2.质量大的物体,运动状态难改变,我们说它惯性大;质量小的物体,运动状态易改变,我们说它惯性小。质量是物体惯性大小的唯一量度。3.质量是标量,只有大小,没有方向。单位是千克,符号是kg。一二三网球与乒乓球比较,用同样大小的力挥拍击球,乒乓球的速度比网球快得多,这是什么原因?提示:力是改变物体运动状态的原因,质量是物体惯性大小的量度。乒乓球的质量小,其惯性也小,用同样大小的力击球,乒乓球的运动状态容易改变,速度比网球快得多。一二三一、如何理解“理想实验”1.理想实验(1)(实验事实)如图所示,两个斜面平滑地对接在一起,小球从一个斜面的某一高度自由滚下,球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等,伽利略分析高度的微小差别是由摩擦引起的。(2)(科学推想)若两个斜面均光滑,则小球一定会上升到原来的高度。(3)(科学推想)若减小另一个斜面的倾角,则小球仍然会到达相同的高度,不过,在另一个斜面上将滚得更远。(4)(科学推想)若将第二个斜面放平(成为水平面),那么小球从第一个斜面上滚下来之后,为达到原有高度,将以恒定的速度在无限长的水平面上永远运动下去。一二三2.意义(1)伽利略用实验加科学推理的方法推翻了亚里士多德的观点。(2)第一次确立了物理实验在物理研究中的基础地位。(3)揭示了力不是维持物体运动的原因。(4)理想实验在自然科学的理论研究中有着重要的作用。但是,理想实验只不过是一种逻辑推理的思维过程,它的作用只限于逻辑上的证明与反驳,而不能用来作为检验认识正确与否的标准。相反,由理想实验所得出的任何推论,都必须由观察或实验的结果来检验。3.运动状态及其变化运动状态是指物体的速度,其变化情况有:(1)速度的大小发生变化,方向不变。(2)速度的方向发生变化,大小不变。(3)速度的大小和方向同时发生变化。一二三二、对牛顿第一定律的理解要点理解明确了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的属性——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定性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”,说明力是改变物体运动状态的原因,并不是维持物体运动的原因,这一点要切实理解一二三温馨提示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。一二三三、正确理解惯性要点理解惯性的本质惯性是一种性质,是物体保持原有运动状态不变的性质,是物体的固有属性决定因素由质量唯一决定,与运动状态无关,与物体是否受力无关表现形式(1)在不受力的条件下,惯性表现出“保持原来的”运动状态;(2)在受力的情况下,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惯性与质量的关系(1)惯性是物体的固有属性,一切物体都具有惯性;(2)惯性与物体的受力情况、运动情况及地理位置均无关;(3)质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大,惯性越大一二三要点理解惯性与力的关系(1)惯性不是力,而是物体本身固有的一种性质,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。力越大,运动状态改变越快;惯性越大,运动状态越难改变惯性与速度的关系(1)速度是表示物体运动快慢的物理量,惯性是物体本身固有的性质;(2)一切物体都具有惯性,和物体是否具有速度及速度的大小均无关温馨提示不要以为只有静止或匀速直线运动的物体才具有惯性,变速运动的物体没有惯性,或者误以为运动状态改变了,惯性也改变了。物体的惯性与运动状态无关,与物体的受力情况无关。对于牛顿第一定律,当不考虑物体的形变和转动时,实际中的“物体所受外力的合力为零”在效果上相当于“物体不受外力的作用”。类型一类型二类型三类型四类型一对力和运动关系的认识【例题1】如图所示,小明用水平方向的力推一木箱。小明发现:用力推时,木箱才能运动;撤去推力,木箱便停下来。有四位同学对此过程发表了自己的看法,你认为正确的是()A.木箱的运动需要力来维持B.木箱由静止到运动需要力的作用,由运动到静止不需要力的作用C.撤去推力,木箱停下来是木箱具有惯性的表现D.撤去推力,木箱停下来是由于摩擦力的作用解析:力是改变物体运动状态的原因,不是维持物体运动的原因,故选项A、B、C错误,D正确。答案:D类型一类型二类型三类型四类型二对伽利略理想实验的认识【例题2】如图所示,理想实验有时更能深刻地反映自然规律,伽利略设想的理想实验中的几个主要步骤如下:①减小第二个斜面的倾角,小球在这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,最后使它成水平面,小球要沿水平面做持续的匀速运动在上述的步骤中,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()类型一类型二类型三类型四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是推论解析:对于对接的斜面,小球从一个斜面滚下将滚上另一个斜面,这是人所共知的事实,即②是事实;而在实际中,光滑的斜面是不存在的,因此①③④是推论。答案:B题后反思伽利略的理想实验与科学推理巧妙地结合,推翻了亚里士多德的错误观点,为科学研究创立了伟大的思想方法,揭示了惯性是维持物体运动的原因,而力是改变物体运动状态的原因。类型一类型二类型三类型四类型三对惯性的理解和应用【例题3】关于物体的惯性,下述说法正确的是()A.运动速度大的物体不能很快地停下来,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的缘故C.乒乓球可以快速抽杀,是因为乒乓球惯性小D.在嫦娥二号中的物体不存在惯性解析:惯性的大小仅由质量来确定,与物体的速度无关,选项A错误;火车难以启动,是因为火车质量很大,惯性很大的缘故,选项B错误;乒乓球质量较小,惯性小,所以运动状态容易改变,可以快速抽杀,选项C正确;任何物体都具有惯性,与物体所在的位置无关,选项D错误。答案:C类型一类型二类型三类型四题后反思惯性只与物体的质量有关,与物体的受力情况、速度、位置等无关。类型一类型二类型三类型四类型四牛顿第一定律的应用【例题4】如图所示,一个劈形物体A的各面均光滑,放在固定的斜面上,上表面水平,在上表面放一个光滑小球。劈形物体由静止开始释放,则小球在碰到斜面前的运动轨迹是()A.沿斜面向下的直线B.竖直向下的直线C.无规则的曲线D.抛物线点拨:根据牛顿第一定律知道,力是改变物体运动状态的原因。如果物体在某个方向不受力,则此方向物体的运动状态就不会改变。类型一类型二类型三类型四解析:对小球进行受力分析可知,小球在与斜面相碰之前,受到重力和A的支持力,而这两个力都在竖直方向上,水平方向上球并没有受到力的作用,故水平方向上小球不会发生运动,所以其轨迹为竖直向下的直线。答案:B题后反思牛顿第一定律揭示的是物体在不受力时所处的运动状态:静止或匀速直线运动。力是改变物体运动状态的原因。