第 5 章第 1 节牛顿第一运动定律

力和运动无处不在。静止的足球受到脚的作用力会运动起来；运动的汽车刹车后在阻力的作用下会停下来；飞行的乒乓球受到球拍的击打，运动的方向会发生改变……力和运动之间有何关系？本节我们将学习有关内容。

1．力与运动的关系

如果仅靠直观感觉来看待力与运动之间的关系，我们会觉得亚里士多德的观点似乎更符合日常经验。从他的视角看，对于静止的马车，若马不拉车，车就不动；对于运动的马车，马不继续拉车，车会停下来（图5-1）。这难道不是证明了有力才有运动，运动需要外力来维持吗？

亚里士多德的观点可表述为：有外力的作用时物体才能运动，要维持物体的运动就需要外力。

然而，伽利略设计了一个理想实验（图5-2）。让小球沿光滑斜面从左侧某一高度滚下时，无论右侧斜面坡度如何，它都会沿斜面上升到与出发点几乎等高的地方。斜面倾角越小，小球运动到同一高度所经历的路程越远。当斜面倾角逐渐减小到0，右侧变为水平面时，小球将为了达到那个永远无法达到的高度而一直运动下去。在这种情况下，小球在水平方向没有受力，却会一直运动下去。显然，伽利略的理想实验反驳了亚里士多德的观点。

在此基础上，法国哲学家和科学家笛卡儿（R. Descartes ，1596－1650）把伽利略的结论推广到没有重力、摩擦力、空气阻力等更理想的情况，进一步完善了伽利略的观点。他提出：若没有其他原因，运动物体将继续以原来的速度沿直线运动。

素养提升

能领悟理想实验的科学推理方法及其意义；能从不同角度解决动力学问题，具有质疑和创新的意识。

通过与伽利略、牛顿相关的史实，能认识物理学研究是不断完善的。

——科学思维，科学态度与责任

实验与探究

匀速直线运动的演示

伽利略与笛卡儿的观点皆基于理想情况，在现实中很难实现。下面我们通过气垫导轨来演示在可忽略阻力情况下物体的匀速直线运动。如图5-3所示，用气泵给气垫导轨充气，气体从气垫导轨的小孔中喷出，在滑块与导轨间形成空气薄层——气垫。这样，滑块在气垫上滑动时受到的阻力很小，可忽略不计。将气垫导轨调至水平，给滑块一个初速度，使其运动起来。利用光电门和电子计时器测出滑块在运动过程中的速度几乎不变可见，若水平方向没有外力作用，则滑块能保持匀速直线运动。

2．牛顿第一运动定律及其意义

牛顿在伽利略、笛卡儿等人研究成果的基础上提出了著名的牛顿第一运动定律（Newton's first law of motion)，简称牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动或静止状态，除非有外力迫使它改变这种状态。

完全不受外力作用只是一种理想情况。实际上，当合外力为0时，物体也能保持匀速直线运动或静止状态。这也意味着，若物体受外力作用且合外力不为0，则其运动状态（速度大小和方向）将被改变，即力是改变物体运动状态的原因。

任何物体都有保持静止或匀速直线运动状态不变的属性，物理学中将这种属性称为惯性（inertia）。惯性大小表示了物体运动状态改变的难易程度，它只与物体的质量有关：质量大的物体运动状态相对不易改变，惯性大；质量小的物体运动状态相对容易改变，惯性小。可以说，质量是描述物体惯性大小的物理量。

生活中，很多现象可以用惯性来解释。例如，乘坐汽车时，如果紧急刹车，我们的身体会前倾；跳远或跳高运动员助跑后，飞身一跃，会在空中继续前进；在公路上行驶的车辆，一旦遇到突发事件，小车容易停下，大车则不易停下……这些皆与物体的惯性有关。

迷你实验室

上段还是下段的细绳先断

用细绳把一本较厚重的书扎一圈，然后将细绳的一端悬挂起来，另一端用手牵住（图5-4）。

先迅速用力将细绳往下一拉，看细绳的哪一段先断开。

再做一次，拉力逐渐加大，直到细绳被拉断，看看又是细绳的哪一段先断开。

比较两次拉断细绳的结果，想想这是为什么。

解答：若拉力逐渐加大，上段绳子先断；若迅速拉，下段绳子先断。拉力慢慢增大，由平衡知识时，绳子上端承受的拉力为书的重力和手对绳的拉力之和，下段细绳承受的拉力等于手对绳的拉力，所以慢慢增大拉力，则上段细绳先断开；由于书本较厚重，惯性较大，其运动状态难以改变，在迅速拉绳的瞬间，下段细绳承受的拉力将比上段细绳承受的拉力大，因此迅速下拉时下端细绳会先断开。

进一步深入探讨可以用动量定理解释。设上段绳子拉力大小为 T₁，下段绳子拉力大小为 T₂，书质量为 m，在作用时间 t 内，书的速度大小由 0 增加到 v（v 很小），以向下为正方向，(T₂ + mg – T₁) = mv − 0，于是 T₂ = T₁ + \(\frac{v}{t}\) − mg。缓拉时间长，将导致 \(\frac{v}{t}\) < mg，即 T₂ < T₁，因此上段绳子先断；迅速拉时间极短，将导致 \(\frac{v}{t}\) > mg，即 T₂ > T₁，因此下段绳子先断。

动量定理的定量解释推荐给老师参考，学生并不能在此处理解。学完本章后，可以尝试让学生用牛顿第二定律给出解释，这比利用惯性解释更具有说服力。

节练习

1．一位同学说，向上抛出的物体在空中向上运动时，肯定受到了向上的作用力，否则它不可能向上运动。你认为他的说法对吗？为什么？

参考解答：不正确。向上抛出的物体由于具有惯性，会在空中继续向上运动，不需要继续受向上的作用力。

2．有人认为，只有静止或做匀速直线运动的物体才具有惯性，做变速运动的物体不具有惯性。这种看法对吗？物体的惯性与物体的运动状态是否有关？请用实例来说明你的看法。

参考解答：不正确。物体的惯性与运动状态无关，不仅静止或做匀速直线运动的物体具有惯性，做变速运动的物体也具有惯性。例如，用力推车使车做加速运动，在相同推力下，汽车满载时比空载时速度改变慢。这表明加速运动的车具有的惯性，总在抵抗车运动状态的变化，车的质量越大，车的速度变化越慢，说明这种抵抗的本领就越大，车的惯性越大。

3．下列情形中，物体的运动状态发生变化的是

A．小石块做自由落体运动 B．小球在光滑水平面上做匀速直线运动

C．汽车在转弯时速度的大小不变 D．铅球被抛出以后的运动

参考解答：ACD

4．对一些生活中的现象，某同学试图从惯性角度加以分析。其中正确的是

A．“强弩之末，势不能穿鲁缟"，是因为强弩的惯性减小了

B．汽车超速行驶易引发交通事故，是因为速度大的汽车惯性大

C．车辆转弯时适当减速，是为了减小车辆的惯性，使行驶更安全

D．货运列车在有些车站加挂车厢，这会增大它的惯性

参考解答：D

5．下列情况可能存在的是

A．物体的速度很大，但惯性很小 B．物体的惯性很大，但质量很小

C．物体的体积很大，但惯性很小 D．物体所受的合外力很大，但惯性很小