第四章　牛顿运动定律
1 牛顿第一定律
1.在物理学中,突出问题的主要因素,忽略次要因素,建立理想
化的“物理模型”,是经常采用的一种科学研究方法。例如,
_____就是这种物理模型之一。
2.力的作用效果是使物体的_________发生变化或使物体产生
形变。
3.运动状态发生变化是指物体的速度发生变化,可以是_____或
者_____改变,也可以是_____和_____同时改变。
4.在初中我们学过,质量是表示物体所含_____多少的物理量。
质点
运动状态
大小
方向
大小
方向
物质
一、理想实验的魅力
1.亚里士多德的观点
必须有力作用在物体上,物体才能_____;没有力的作用,物体就
要_____在一个地方。
2.伽利略的斜面实验
(1)理想实验:让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动,再
让小球冲上第二个斜面,如果没有摩擦,无论第二个斜面的倾角
如何,小球所达到的高度_____,若将第二个斜面放平,小球将
_____________。
运动
静止
相同
永远运动下去
(2)实验结论:力不是_____物体运动的原因。
3.笛卡儿的观点
如果运动中的物体没有受到力的作用,它将继续以同一_____沿
同一_____运动,既不停下来也不偏离原来的方向。
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_____________状态或_____状态,除非作用在
它上面的力迫使它改变这种状态。因此牛顿第一定律也叫___
_______。
速度
直线
匀速直线运动
静止
惯
性定律
维持
2.运动状态的改变
如果物体速度的_____或_____改变了,它的运动状态就发生了
改变;如果物体做_____________或静止,它的运动状态就没有
发生改变。
三、惯性与质量
1.惯性
物体具有保持原来_____________状态或_____状态的性质。
2.惯性的量度
__(A.质量　B.速度)是物体惯性大小的唯一量度。
大小
方向
匀速直线运动
匀速直线运动
静止
A
【思考辨析】
1.判断正误
(1)伽利略的理想实验是不科学的假想实验。(　　)
(2)小李驾车沿环城路匀速运动一周的过程中,其运动状态不
变。(　　)
(3)物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性。(　　)
(4)物体只有受到外力作用时才有惯性。(　　)
(5)力无法改变物体的惯性。(　　)
提示:(1)×。伽利略的理想斜面实验反映了一种物理思想,是科学的。
(2)×。沿环城路运动,显然其速度方向改变了,则运动状态发生了改变。
(3)×。一切物体在任何状态都具有惯性。
(4)×。惯性是物体的固有属性,与是否受力无关。
(5)√。力是物体运动状态改变的原因而不是改变惯性的原因,力是不能改变物体惯性的。
2.问题思考
(1)沪杭高铁的列车最高时速可以达
到400多千米,是世界上最快的火车。
有的同学认为:火车变快了,其惯性
变大了,所以难刹车。他的认识正确
吗?
提示:他的认识是错误的,惯性是物体的固有属性,火车提速后,其质量不变,惯性也不变。
(2)某同学看到竖直向上抛出的篮球,他认为在空中向上运动时,肯定受到了向上的作用力,否则它不可能向上运动。他的观点对吗?为什么?
提示:该同学的观点是错误的。竖直向上抛出的篮球在空中继续向上运动,是因为篮球具有惯性,篮球的惯性要保持其原来的运动。篮球受到的重力和空气阻力的方向都竖直向下,不受向上的力的作用。
一 对牛顿第一定律的理解　
1.牛顿第一定律的得出
牛顿第一定律是在伽利略理想实验的基础上加以科学推理得到的,由理想实验得出的结论经受了广泛、严谨的实验验证,证明结论是正确的。
2.牛顿第一定律揭示了惯性的概念
定律中“一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态”揭示了物体所具有的一个重要属性——惯性,即物体具有保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质。牛顿第一定律指出一切物体在任何情况下都具有惯性。
3.牛顿第一定律揭示了力的含义
定律中“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”,这句话揭示了力与运动的关系的本质,即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。
4.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发生改变。
【特别提醒】(1)牛顿第一定律不是实验定律,它是在理想实验的基础上归纳总结得出的。
(2)惯性口诀:物体有惯性,惯性物属性,大小看质量,不论动与静。
【典例1】(2013·株洲高一检测)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的作用时的运动规律
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的结果
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
【解题探究】(1)力对物体(质点)的作用效果:
①合外力不为零时,物体的运动状态_________;
②合外力为零时,物体的运动状态_______。
(2)物体运动状态的改变就是物体速度大小的改变吗?
提示:运动状态的改变包括物体速度大小的改变,如由运动到静
止或由静止到运动,也包括物体速度方向的改变或大小和方向
的同时改变。
发生改变
不改变
【标准解答】选A、B、D。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不变,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,是由于摩擦阻力的作用而改变了木块的运动状态,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运动状态,C错误,D正确。
【总结提升】牛顿第一定律巧应用
(1)要把生活感受和理论问题联系起来,深刻认识力和运动的关系,正确理解力不是维持物体运动状态的原因,克服生活中一些错误的直观印象,建立正确的思维习惯。
(2)如果物体的运动状态发生改变,则物体必然受到不为零的合外力作用,所以判断物体的运动状态是否改变以及如何改变,应分析物体的受力情况。
【变式训练】下列说法正确的是(　　)
A.牛顿第一定律是科学家凭空想象出来的,没有实验依据
B.牛顿第一定律无法用实验直接验证,因此是不成立的
C.理想实验的思维方法与质点概念的建立一样,都是一种科学抽象的思维方法
D.由牛顿第一定律可知,静止的物体一定不受外力作用
【解析】选C。牛顿第一定律是在理想实验的基础上经过合理归纳总结出来的,但无法用实验来直接验证,故A、B错误;理想实验的思维方法与质点概念的建立相同,都是突出主要因素、忽略次要因素的科学抽象的思维方法,故C正确;物体静止时不受外力或合外力为零,故D错误。
二 惯性的理解与应用　
关于“惯性”的四种关系——惯性与质量、力、速度、惯性定律的关系。
1.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)质量是物体惯性大小的唯一量度,质量越大,惯性越大。
2.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“物体受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”等说法都是错误的。
(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,物体的运动状态改变越快;惯性越大,物体的运动状态越难改变。
(3)惯性与物体的受力情况无关。
3.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)一切物体都有惯性,并且惯性的大小由物体本身决定,与物体是否有速度及速度的大小无关。
4.惯性与惯性定律的关系
(1)惯性是物体具有的一种固有属性。惯性定律是物体不受外力作用时所遵守的一条规律,属性不同于规律。
(2)惯性使物体保持原来运动状态,但能否保持取决于其受力情况。当物体不受外力(或所受合外力为零)时,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。惯性定律揭示了物体的惯性,正因为物体有惯性,故物体的运动不需要力来维持,这是它们的联系。
【特别提醒】(1)在不受力(或合外力为零)的条件下,惯性表现为保持原来的运动状态。
(2)在合外力不为零的条件下,惯性表现为运动状态改变的难易程度。
【典例2】关于物体的惯性,下述说法中正确的是(　　)
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
C.乒乓球可以快速抽杀,是因为乒乓球惯性小
D.在宇宙飞船中的物体不存在惯性
【解题探究】(1)物体的惯性由什么因素决定?
提示:质量。
(2)物体的运动状态和受力情况对物体的惯性是否有影响?
提示:物体速度的大小、方向及受力情况对物体的惯性无影响。
【标准解答】选C。惯性大小只与物体质量有关,与物体的速度无关,故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,故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,故C正确;一切物体在任何情况下都有惯性,故D错误。
【总结提升】惯性与力的三点区别
一切物体在任何情况下都具有惯性,即物体具有惯性是不需要条件的。惯性不是力,不能把物体具有惯性理解成物体受到了“惯性力”。可从以下三个方面区别惯性和力:
1.性质方面
惯性是物体保持原来运动状态不变的性质,是物体本身的属性,而力是物体对物体的作用。
2.大小方面
惯性的大小取决于物体本身质量的大小,力的大小取决于物体之间相互作用的强弱。
3.效果方面
力是改变物体运动状态的原因,而惯性却要物体保持原来的运动状态不变。
【变式训练】下列关于惯性的说法中,正确的是(　　)
A.人走路时没有惯性,被绊倒时有惯性
B.百米赛跑到达终点时不能立即停下来是由于惯性,停下来时就没有惯性了
C.物体没有受外力作用时有惯性,受外力作用后惯性被克服了
D.物体的惯性与物体的运动状态及受力情况均无关
【解析】选D。惯性是物体的固有属性,物体在任何情况下都有惯性,且惯性的大小与物体的运动状态及受力情况均无关,它仅取决于物体的质量大小,因此A、B、C错误,D正确。
【变式备选】在匀速前进的火车里,一小球放在水平桌面上相对桌面静止。关于小球运动与火车运动,下列说法正确的是
(　　)
A.若小球向前滚动,则火车在加速前进
B.若小球向后滚动,则火车在加速前进
C.火车急刹车时,小球向前滚动
D.火车急刹车时,小球向后滚动
【解析】选B、C。若火车减速,火车运动的速度减小了,而小球由于惯性要保持原来的速度,所以小球运动的速度要大于火车运动的速度,即小球相对于火车向前滚;同理可得火车加速时,小球相对于火车向后滚。故A、D错误,B、C正确。
【典例】如图所示,一个劈形物ABC各
面光滑,放在固定的斜面上,AB呈水平
并放上一个光滑小球,把劈形物ABC从
静止开始释放,则小球在碰到斜面以前的运动轨迹是(　　)
A.沿斜面的直线
B.竖直的直线
C.弧形曲线
D.折线
【标准解答】选B。因小球在劈形物ABC上从静止释放到碰到斜面前的过程中,水平方向不受力的作用,由于惯性,水平方向仍保持静止而没有运动,所以小球在碰到斜面前在支持力和重力作用下的运动轨迹是竖直的直线,故选B。
对惯性理解的四大误区
误区一　误认为运动的物体有惯性,静止的物体没有惯性
静止的物体总要保持静止(反抗从静到动),运动的物体总要保持运动(反抗从动到静),恰恰就是物体具有惯性的体现。所以说,不论物体静止还是运动都具有惯性。
误区二　误认为运动速度大的物体惯性大
惯性的大小与物体运动速度的大小无关,它只与物体的质量大小有关,质量越大的物体惯性越大。例如,静止的篮球比静止的汽车容易运动起来;具有相同速度的篮球和汽车,篮球比汽车更容易停下来。
误区三　误认为重力越小,惯性越小
例如,月球表面的引力只有地球的六分之一,宇航员在月球上即使背上一个质量很大的背包也不感到沉重,但走起路来却要十分小心,不能突然移动或突然停止。因为背包的重力小了,但惯性并没有减小(因背包的质量没有减小)。质量很大的背包具有很大的惯性,当行走的宇航员突然停下来时,背包由于具有惯性将会继续向前运动,宇航员就会像在地球上脚被东西绊了一样,向前倾倒。
误区四　误认为惯性是一种特殊的力
产生这种想法的原因就是认为物体的运动需要力来维持。事实上,如果正在运动的物体所受的外力同时消失,物体是不会停止运动的,而是以外力消失时刻的速度做匀速直线运动。这充分说明物体运动不需要任何外力来维持。
【案例展示】下面关于惯性的说法中,正确的是(　　)
A.运动速度大的物体比速度小的物体难以停下来,所以运动速度大的物体具有较大的惯性
B.物体受的力越大,要它停下来就越困难,所以物体受的推力越大,则惯性越大
C.物体的重力越大,惯性越大
D.物体所含的物质越多,惯性越大
【标准解答】惯性是物体的固有属性,惯性的大小与物体的运动状态及受力情况均无关,它仅取决于物体的质量大小,因此A、B、C错误,D正确。
答案:D
【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下:
1.(基础理论辨析题)下列判断正确的有(　　)
A.惯性是物体的固有属性之一,其大小与物体的运动速度是无关的
B.惯性是一种力,刹车时乘客受到一个向前的力,所以向前倒
C.跳远时,人要助跑一段路再起跳,这是为了跳起后能继续保持向前的运动状态
D.惯性和惯性定律,事实上是一回事
E.只有保持静止和匀速直线运动的物体才具有惯性
F.物体保持静止和匀速直线运动的性质叫做惯性定律
G.物体做速率不变的运动时,其运动状态不变
H.理想实验是科学研究中的一种科学方法
I.牛顿第一定律描述的是物体不受力时的状态,实际上不受力的物体是不存在的,所以牛顿第一定律无意义
【解析】选A、C、H。惯性是物体具有的一种固有属性,其大小由物体的质量决定,与物体的运动状态无关,A正确,E错误;惯性不是力,刹车时乘客向前倒是由于惯性的原因而非力的作用,B错误;跳远时由于惯性,人保持向前的运动状态,C正确;惯性定律是物体不受外力作用时所遵守的一条规律,它不同于物体的惯性这一性质,D、F错误;物体运动的速率不变时,运动方向可能变化,G错误;理想实验是科学研究中经常用到的一种科学方法,H正确;牛顿第一定律揭示了物体不受力时所处的状态及力对物体所产生的效果,有实际意义,I错误。
2.下列关于对运动的说法不正确的是(　　)
A.亚里士多德认为物体的自然状态是静止的,只有当它受到力的作用时才会运动
B.伽利略认为力不是维持物体运动的原因
C.牛顿认为力的真正效果是改变物体的速度,而不仅仅是使之运动
D.伽利略根据理想实验推论出,如果没有摩擦,在水平面上的物体,一旦具有某一个速度,将保持这个速度继续运动下去
【解析】选C。亚里士多德认为力是维持物体运动的原因,有力作用在物体上它才运动,没有力作用时它就静止,A对。伽利略认为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,他认为在水平面上的物体若不受摩擦力,物体会保持原速度做匀速直线运动,B、D对。牛顿第一定律揭示了力与物体运动的关系,即物体的运动不需要力来维持,力的作用是改变物体的运动状态(即改变速度),C错。
3.(2013·昆明高一检测)由牛顿第一定律可知(　　)
A.物体的运动是依靠惯性来维持的
B.力停止作用后,物体的运动就不能维持
C.物体做变速运动时,一定有外力作用
D.力是改变物体惯性的原因
【解析】选A、C。物体具有保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质叫做惯性,由于惯性的存在,物体才保持原来的运动状态,A对。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,B错,C对。惯性是物体的固有属性,力不能改变物体的惯性大小,D错。
4.(2013·衡水高一检测)我国新的交通法规于2013年1月1日实施,其中规定,坐在小汽车前排的司机和乘客都应在胸前系上安全带,这主要是为了减轻在下列哪种情况出现时可能对人造成的伤害(　　)
A.车速太快
B.车速太慢
C.紧急刹车
D.突然启动
【解析】选C。小汽车缓慢加速或缓慢减速,人的速度也会缓慢增大或减小,所以不会使人受伤,故A、B选项不合题意;当紧急刹车时,车停止而人由于惯性向前冲,安全带可以防止人冲向前而受伤,故C选项符合题意;突然启动时,人会向后仰,有靠背支撑,安全带不起作用,故D不合题意。故选C。
5.下列物理现象中,可以用牛顿第一定律解释的是(　　)
A.必须有力作用在物体上,物体才能运动,没有力的作用,物体就要静止下来
B.物体如果向正北方向运动,其受外力方向必须指向正北
C.如果没有外力作用,运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动,既不会停下来,也不会偏离原来的方向
D.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
【解析】选C、D。一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态不变,直到有外力迫使它改变这种状态为止。没有外力作用时,物体可以做匀速直线运动,不一定静止,故A错误;物体向正北方向做匀速直线运动时,可以不受外力,当有向正北方向力的作用时,它向北运动的速度会变大,当有向正南方向力的作用时,它向北的速度会减小,但仍可以向正北方向运动,B错误;C、D两种说法均符合牛顿第一定律,C、D正确。