4.1 牛顿第一定律
[目标定位] 1.知道伽利略的理想实验及其推理过程，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.明确惯性的概念，会解释有关的惯性现象．
一、理想实验的魅力
1．亚里士多德认为：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．
2．伽利略的理想实验
(1)斜面实验：让静止的小球从第一个斜面滚下，冲上第二个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度．减小第二个斜面的倾角，小球滚动的距离增大，当第二个斜面放平，小球将永远运动下去．
(2)推理结论：力不是(选“是”或者“不是”)维持物体运动的原因．
3．笛卡尔的观点：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向．
想一想：
伽利略的理想实验揭示了什么道理？
答案 伽利略的实验揭示了力不是维持物体运动的原因． 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．
2．惯性：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惯性．牛顿第一定律也叫做惯性定律．
三、惯性与质量
对于任何物体，在受到相同的力作用时，决定它们运动状态的变化难易程度的唯一因素就是它们的质量．
想一想：
(1)是不是只有匀速直线运动或静止的物体才具有惯性？
(2)有人说“速度越大惯性越大”“受力越小惯性越大”，对吗？
答案 (1)不是；一切物体都具有惯性．物体的惯性与运动状态无关．(2)不对，惯性只与质量大小有关，而与速度大小无关，与受力大小也无关．
一、对伽利略的理想实验的理解 1．关于运动和力的两种对立的观点
(1)亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因．这种错误的观点统治了人们的思维近二千年．
(2)伽利略的观点(伽利略第一次提出)：物体的运动不需要力来维持，力是改变物体速度的原因．
2．伽利略的理想实验的意义
(1)伽利略的理想实验将可靠的事实和理论思维结合起来，即采用“事实基础＋抽象思维＋科学推论”的方法推翻了亚里士多德的观点，初步揭示了运动和力的正确关系．
(2)第一次确立了物理实验在物理学中的地位．
例1 理想实验有时更能深刻地反映自然规律．伽利略设计了一个如图411所示的理想实验，他的设想步骤如下：
图411
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的高度；④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球将沿水平面做持续的匀速运动．
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．下列有关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
解析 本题是在可靠事实的基础上进行合理的推理，将实验理想化，并符合物理规律，得到正确的结论．而②是可靠事实，因此放在第一步，③①是在斜面上无摩擦的设想，最后推导出水平面上的理想实验④.因此正确顺序是②③①④.
答案 ②③①④ B
二、对牛顿第一定律的理解 1．对牛顿第一定律的理解
(1)定性说明了力和运动的关系：
①力是改变物体运动状态的原因，或者说力是产生加速度的原因，而不是维持物体运动状态的原因．
②物体不受外力时的运动状态：匀速直线运动状态或静止状态．
(2)揭示了一切物体都具有的一种固有属性——惯性．因此牛顿第一定律也叫惯性定律． 2．物体运动状态的变化即物体运动速度的变化，有以下三种情况： (1)速度的方向不变，只有大小改变．(物体做直线运动) (2)速度的大小不变，只有方向改变．(物体做曲线运动) (3)速度的大小和方向同时发生改变．(物体做曲线运动) 3．注意：
(1)牛顿第一定律所描述的是物体不受外力作用时的状态，与物体所受合外力为零是等效的．
(2)牛顿第一定律不是实验定律，它是在理想实验的基础上总结得出的． 例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，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．
答案 ABD
三、对惯性的理解
1．惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性． 2．质量是惯性大小的唯一量度．质量越大，惯性越大．
3．惯性大小与物体运动状态无关，与物体受力情况以及地理位置无关． 4．惯性的表现
(1)不受力时，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，有“惰性”的意思． (2)受力时，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．
例3 关于惯性，下列说法正确的是( )
A．惯性是物体固有的属性，惯性越大的物体，它的运动状态越难改变 B．同一物体运动时的惯性大于静止时的惯性 C．“嫦娥三号”卫星在地球上的惯性与它绕月球飞行时的惯性相同(燃料消耗忽略不计) D．各种机床和发电机的底座做得很笨重，并用螺丝固定在地面上，目的是增大惯性． 解析 惯性是物体固有的属性，惯性越大的物体，保持原来运动状态的性质越强，即它的运动状态越难改变，A正确；质量是惯性大小的唯一量度，惯性大小与运动状态无关，B错误；“嫦娥三号”卫星在地球上的惯性与它绕月球飞行时的质量不变，惯性不变，C正确；质量大的物体惯性大，各种机床和发电机的底座做得很笨重，目的是增大惯性，D正确．故选A、C、D.
答案 ACD
借题发挥 分析有关惯性的问题时，应注意惯性的三个性质：(1)普遍性：一切物体在任何情况下都具有惯性；(2)无关性：惯性与物体的运动状态和受力情况均无关；(3)唯一性：惯性由物体的质量唯一决定．
图412
例4 在匀速行驶的火车车厢内，有一人从B点正上方相对车厢静止释放一个小球，不计空气阻力，则小球( )
A．可能落在A处 B．一定落在B处 C．可能落在C处 D．以上都有可能
解析 匀速行驶的火车车厢内，相对车厢静止释放一个小球，由于惯性，在水平方向保持与车速相同的速度，因此在下落这段时间内，水平位移相等，即落回到B点，故选B.
答案 B
对伽利略的理想实验的理解
1．伽利略的理想斜面实验说明( )
A．亚里士多德关于运动和力的关系是正确的 B．亚里士多德关于运动和力的关系是错误的 C．力是维持物体运动的原因 D．物体的运动不需要力来维持
解析 伽利略的理想实验中斜面放平后，小球将永远运动下去，说明物体的运动不是由力来维持的，故而推翻了亚里士多德的观点，B、D正确．
答案 BD
对牛顿第一定律的理解
2．关于牛顿第一定律，下列说法中正确的是( )
A．牛顿第一定律是在伽利略“理想实验”的基础上总结出来的 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
解析 牛顿第一定律是在伽利略“理想实验”的基础上经过抽象、加工、推理后总结出来的，A正确；虽然不受力作用的物体是不存在的，但是它与受合外力为零时是等效的，故牛顿第一定律仍有实际意义，B错误；物体的惯性是物体本身的属性，与物体是否受外力无关，与物体静止还是匀速直线运动无关，C、D错误．故选A.
答案 A
对惯性的理解
图413
3．如图413所示，冰壶在冰面运动时受到的阻力很小，可以在较长时间内保持运动速度的大小和方向不变，我们可以说冰壶有较强的抵抗运动状态变化的“本领”．这里所指的“本领”是冰壶的惯性，则惯性的大小取决于( )
A．冰壶的速度 B．冰壶的质量
C．冰壶受到的推力 D．冰壶受到的阻力
解析 一个物体惯性的大小，与其运动状态，受力情况是没有任何关系的，衡量物体惯性大小的唯一因素是质量，故B正确．
答案 B
4．根据牛顿运动定律，以下选项中正确的是( )
A．人只有在静止的车厢内，竖直向上高高跳起后，才会落在车厢的原来位置 B．人在沿直线匀速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方 C．人在沿直线加速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方 D．人在沿直线减速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方
解析 人起跳后，水平方向保持起跳前的速度做匀速直线运动；车速如果不变(静止或匀速)，则人和车水平方向相对静止；车如果加速，人相对滞后，掉在后面；车如果减速，人相对超前，掉在前面．故选C.
答案 C
(时间：60分钟)
题组一 对伽利略的理想实验的理解
1．16世纪末，伽利略用实验和推理，推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动的理论，开始了物理学发展的新纪元．在以下说法中，与亚里士多德观点相反的是( )
A．四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得快，这说明，物体受的力越大，速度就越大
B．一个运动的物体，如果不再受力了，它总会逐渐停下；这说明，静止状态才是物体长时间不受力时的“自然状态”
C．两物体从同一高度自由下落，较重的物体下落较快 D．一个物体维持匀速直线运动，不需要受力
解析 亚里士多德的观点：力是使物体运动的原因，有力物体就运动，没有力物体就停止运动，与此观点相反的选项是D.
答案 D
2．关于伽利略的理想实验，下列说法正确的是( )
A．只要接触面摩擦相当小，物体在水平面上就能匀速运动下去 B．这个实验实际上是永远无法做到的 C．利用气垫导轨，就能使实验成功
D．虽然是想象中的实验，但是它建立在可靠的实验基础上
解析 伽利略的理想斜面实验反映了一种物理思想．它是建立在可靠的事实基础上的，它把实验和逻辑推理结合在一起，抓住主要因素，忽略次要因素，从而深刻地揭示了自然规律．故选B、D.
答案 BD
3．关于力和运动的关系，下列说法中正确的是( ) A．物体的速度不断增大，表示物体必受外力的作用
B．物体向着某个方向运动，则在这个方向上必受力的作用 C．物体的速度大小不变，则其所受的合外力必为零 D．物体处于平衡状态，则该物体必不受外力作用
解析 当物体速度增大时，运动状态发生了变化，而力是改变运动状态的原因，故物体必受外力作用，A正确；力不是维持物体运动的原因，所以物体向某个方向运动，可以不在此方向上受力的作用，B错误；当物体的速度大小不变时，其速度方向可能发生变化，即运动状