第四章 第一节 牛顿第一定律
图示是舰载机从辽宁号航空母舰上起飞的瞬间。辽宁号是中国第一艘服役的、可以搭载固定翼飞机的航空母舰。受航母甲板长度的限制，提高舰载机的加速性能是研制工作的重要任务之一。舰载机的加速性能与哪些因素有关？
重达数吨的重型战斗机要从仅仅数百米的航母甲板上起飞，需要足够大的加速度。物体运动状态的改变需要力，运动状态改变的快慢用加速度的大小描述。加速度的大小与什么因素有关？
根据生活经验，用同一个力作用于不同物体，或用不同的力作用于同一个物体，运动状态改变的快慢都将不同。为此，可以通过实验，应用控制变量的方法进行探究，从而得到加速度与物体受力、加速度与物体质量之间的定量规律。
第四章
- 在本章中我们将：
1．理解牛顿运动定律。
2．通过实验探究加速度与物体质量、物体受力的关系。
3．用牛顿运动定律解决简单的实际问题。
- 本章的学习将会用到加速度的概念、匀变速直线运动的规律和有关力的知识。
- 本章学习的牛顿运动定律是经典力学的核心，也是学习物理学其他内容的基础。本章的学习有助于根据运动和相互作用的观念，运用科学思维解决实际问题。。
学习目标
1．用牛顿运动定律解释简单的现象、解决简单的实际问题，形成运用牛顿定律分析问题的思路，初步形成运动与相互作用的观念。
2．能将特定情境下的运动物体和运动过程进行抽象，体会抽象的思维方法，能用简单的证据表达自己的观点；在探究物体间相互作用与运动状态变化关系的实验中运用控制变量法。
3．在探究物体间相互作用与运动状态变化关系的实验中，经历记录、分析和处理实验数据，能根据证据得出结论并作出解释，能相互交流、表达探究的过程和结果。
4．在探究实验、分析解决问题的过程中，认识物理学是对自然现象的描述与解释，具有学习物理的兴趣，培养实事求是、严谨认真的态度，逐步形成与人合作的意识。
编写意图
课程标准中对本章内容的要求为：
1.2.3 通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产、生活中的有关现象，解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。
1.2.4 知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。
本章内容是牛顿力学的核心，在初中对力和运动的关系已经有了一定认知的基础上，通过回顾亚里士多德和伽利略对于力和运动的主要观点和研究，进一步体会理想实验的作用。
通过探究加速度与物体质量、物体受力的关系实验体会控制变量的思想，了解实验数据的图像表示及其意义，知道误差的存在，能分析数据得出结论，通过交流表达结果。
在原有认知的基础上，理解牛顿运动定律。知道证据的作用。知道国际单位制中的力学单位。能对物体的受力和运动情况进行描述，从而进一步完善分析和解决实际问题的思路，能运用牛顿运动定律解释简单的现象、解决简单的问题。结合实验和体验，了解超重和失重现象。
本章是形成“运动与相互作用观”的关键，也是进一步学习物理学其他内容的基础。
完成本章内容的学习，共需要8课时。其中，第一节 1 课时，第二节 3 课时，第三节 1 课时，第四节 1 课时，第五节 2 课时。
图 4–1 滑板运动的连拍照片
滑板运动深受学生喜爱，通过运用技巧，可以享受运动的乐趣。节首图反映了人与滑板以相同速度离开地面的情境，可以观察到人与滑板在水平方向的运动情况相同，形象展现了物体存在惯性。
本节的引入文字与此呼应，点明了本节内容的重点是：运动并不需要力来维持。
本节编写思路
本节在初中相关内容学习的基础上，回顾亚里士多德和伽利略对于力和运动的主要观点和研究，了解科学的研究方法在人类认识自然规律时所起的重要作用，建立惯性的概念，理解牛顿第一定律。
通过两个问题的引领，感受伽利略斜面理想实验对认识运动、研究自然现象的意义与作用；认识牛顿第一定律不仅是对现象的总结与归纳，而且是对观念的提升；了解牛顿第一定律还隐含了惯性系的概念。
通过“助一臂”，学生初步了解理想实验在科学研究中的作用。
通过“大家谈”引导学生对惯性的思考与理解；在“自主活动”中观察和描述滑块的运动，了解在实验中使物体近似做匀速直线运动的方法。
经历惯性定律的建立过程，有助于学生形成正确的科学观念，知道认识是不断发展的，并将最终揭示事物的本质。本节内容是学习牛顿第二定律的基础。
我们在生活中常见到这样的现象：要使小车运动起来必须用力推或拉；停止用力后，小车就会慢慢停下来。通过观察这些现象，我们会直觉地认为物体的运动是推、拉等作用的结果。但观察图 4–1，人跳起来后，滑板依然由 A 位置向前运动到 D 位置。似乎在此过程中，滑板的运动并不需要来维持。
古希腊哲学家亚里士多德在观察和直觉的基础上，根据经验和事实，思考了力与运动的关系。他认为：如无外部推力，地球上所有的物体都会停下来静止不动；运动的物体若要继续运动必须有力维持。亚里士多德的观点可归纳为：力是维持物体运动的原因。在此后近 2 000 年的时间里，亚里士多德的观点得到了普遍的认同。直到 17 世纪初，伽利略对亚里士多德的这一观点提出了质疑。
伽利略巧妙地设想了一个小球在两个斜面上运动的实验来推理。
图 4–2 伽利略的斜面理想实验
理想实验是以可靠的事实为根据，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维，把实验合理外推到实验条件无法达到的范围，从而得出结论，深刻揭示自然规律的方法。理想实验室在想象中进行的实验，是科学研究的重要方法。理想实验充分发挥了理性思维和逻辑推理的力量。
为探究物体运动的原因，亚里士多德根据观察和思辨得出，维持物体的运动必须有力作用，直到 17 世纪伽利略通过实验总结、理论演绎和逻辑推理对此问题做出了科学的解释，所得到的结论实际已蕴含了惯性定律的基本思想。
如图 4–2 所示，将小球从斜面 AB 上的某处由静止释放，小球滚下后将沿右侧斜面 CD 向上运动。如果没有摩擦损耗，小球将上升到原来的高度；如果减小右侧斜面的倾角，变为图中的 CDʹ，小球仍能达到原来的高度，但需要通过更长的路程。以此推理，右侧斜面的倾角越小，小球通过的路程越长。当斜面最终成为水平面时，尽管小球在水平方向上并没有受到力的作用，小球为了达到原来的高度，仍要沿水平面以恒定的速度一直运动下去。这就是著名的斜面理想实验。
伽利略由此提出了与亚里士多德相反的结论：物体的运动不需要任何力来维持，力不是维持物体运动的原因
为什么把伽利略的斜面实验称为理想实验？
图 4–3 牛顿
(I．Newton，1643—1727)
图 4–4 牛顿著作《自然哲学的数学原理》
与伽利略同时代的法国数学家、物理学家笛卡尔（R．Descartes，1596—1650）完善了伽利略的观点。他指出，物体将一直保持它的速度，除非有别的物体制止它或减小它的速度。
牛顿（图 4–3）在伽利略等人研究的基础上，于 1687 年发表了他的名著《自然哲学的数学原理》（图 4–4），书中提出了物体运动的三个基本规律，后人把它们称为牛顿运动定律。其中，牛顿第一定律（Newton's first law）的表述为：
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非有作用力迫使它改变这种状态。
牛顿第一定律揭示了力和运动的关系，表明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；如果物体不受力的作用，其速度的大小和方向都将保持不变。
牛顿第一定律描述的是一种理想化的状态，即物体不受任何力作用的状态。但由于不可能把一个物体孤立起来，完全不受力作用的物体实际上是不存在的。我们通常看到的匀速直线运动状态和静止状态都是物体受到平衡力作用的结果。
牛顿第一定律形式简单，但内涵丰富。
（l）定义了物体惯性的概念。任何物体都有保持运动状态不变并且反抗其他物体改变其运动状态的性质，物体这种固有的性质称为物体的惯性。因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。
（2）第一次引入力的概念，指出力是改变物体运动状态的原因，或者说是使物体产生加速度的原因。
（3）隐含着惯性参考系与非惯性参考系的概念。关于这一点牛顿第一定律并未明说，但在给出惯性的定义时，涉及物体静止或匀速直线运动的状态，而这就存在相对什么参考系运动的问题。物体运动遵从牛顿第一定律的参考系称为惯性参考系；反之，物体运动不遵从牛顿第一定律的参考系称为非惯性参考系。一个参考系到底是惯性参考系还是非惯性参考系，要由实验来确定。比如，当汽车急刹车时，车上的乘客都会有向前冲的感觉。如果选择汽车为参考系，乘客的运动明显违反牛顿第一定律，所以相对于地面急刹车的汽车参考系是非惯性系。
图 4–5 为气垫导轨的示意图。导轨表面均匀分布着大量小孔，用气泵给气垫导轨充气。空气自小孔向上喷出，在导轨和滑块之间形成气垫使滑块悬浮不与导轨接触，滑块沿导轨运动时的阻力就会很小。把滑块放在水平气垫导轨上，轻推一下滑块，观察滑块如何运动，它的运动有什么特点，并尝试用牛顿第一定律予以解释。
图 4–5 气垫导轨和滑块
这是一个观察型“自主活动”，其目的是：（1）初步了解气垫导轨的原理和作用；（2）观察和描述物体不受外力作用时的运动状态。
通过本活动与下面的“大家谈”，以实际感受了解惯性的概念，理解惯性定律。
牛顿第一定律表明，物体的运动并不需要力来维持，物体自身具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。这种性质称为惯性（inertia）。因此，牛顿第一定律又被称为惯性定律（law of inertia）。
大至天体，小至原子、电子，一切物体都有惯性。汽车突然启动时，乘客的身体会后仰；汽车紧急刹车后虽然受到阻力作用，仍要滑行一段距离才能停下。生活中的很多场景都与惯性有关。类似的事例，你还能举出一些吗？
此处设置“大家谈”，通过寻找生活中惯性现象的实例，进一步理解惯性的概念和牛顿第一定律。
- 通过牛顿第一定律的学习，几位同学在讨论惯性的概念时分别表达了下列说法。你是否认同这些说法，简述你的理由。
（1）运动的物体有惯性，静止的物体没有惯性。
（2）物体受力时，它的惯性会发生改变。
（3）惯性与物体运动的快慢无关。
图 4–6
- 如图 4–6 所示，伽利略设想了一个理想实验（图中两斜面底部均用一小段光滑圆弧连接），得出力不是维持物体运动的原因：
（1）减小右边斜面的倾角，小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度。
（2）两个斜面对接，让静止的小球沿左边斜面滚下，小球将滚上右边另一个斜面。
（3）如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度。
（4）继续减小右边斜面的倾角，最后使它成为水平面，小球就应沿水平面一直运动下去。
将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列。在上述步骤中，哪些属于可靠的事实？哪些是理想化的推论？
- 小鸟沿直线斜向上匀速飞行，它的飞行方向与竖直方向夹角为 45°。有同学认为，小鸟一定受到一个沿其飞行方向的作用力。你的看法如何？试简述理由。
- “复兴号”动车在某段水平轨道上匀速行驶，高铁车厢窗台上放着一只盛满水的纸杯。若突然发现纸杯中的水向前洒出，试判断此时高铁的运动状态，并简要阐述判断依据。
- 在伽利略的时代人们就发现，从正在匀速行驶的帆船桅杆顶部落下的小球会落于桅杆底部。试根据这一现象简述小球的运动情况，并说明惯性的表现。
- 什么是理想实验？理想实验和真实实验有何区别？理想实验虽然不是真实实验，但对物理学的发展同样起到不小的推动作用。查阅资料，了解物理学发展史上除了伽利略理想实验外，还有哪些著名的理想实验，谈谈这些理想实验是如何推动物理学发展的。
问题与思考解读
1．参考解答：仅说法（3）正确。惯性是物体的属性，与物体的运动状态，受力状态均无关
命题意图：承接初中阶段对惯性的理解，对惯性概念进行辨析。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅰ）。
2．参考解答：顺序为（2）（3）（1）（4），其中（2）为事实，（3）（1）和（4）为推论
命题意图：认识实验和推理在物理研究中的作用。
主要素养与水平：科学论证（Ⅰ）；证据（Ⅰ）。
3．参考解答：小鸟匀速沿直线飞行，根据牛顿第一定律，小鸟应不受力的作用或所受力的合力为零。因此，小鸟所受除重力外的其他力的合力一定竖直向上，大小与其所受重力相等
命题意图：承接上一章，用牛顿第一定律和共点力平衡的条件解释现象。
主要素养与水平：科学论证（Ⅰ）；质疑创新（Ⅰ）。
4．参考解答：高铁列车原先匀速行驶，杯中的水也随其做匀速直线运动。当列车突然减速时，运动状态发生变化，水由于惯性而相对杯子（列车）向前运动
命题意图：通过生活中的现象感受惯性。
主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅰ）。
5．参考解答：下落前，小球随船一起匀速运动。下落过程中，竖直方向：小球受到重力的作用，自由下落，运动状态发生变化；水平方向：小球不受力的作用，由于惯性，继续保持原来匀速运动的状态，与船的速度相同，随船一起前行。所以，刚好从桅杆顶部掉落到桅杆底部
命题意图：用惯性解释真实的现象。
主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学本质（Ⅰ）。
6．参考解答：理想实验是利用理想模型进行逻辑推理的思维活动，而真实实验是一种实践活动，这是两者的主要区别。理想实验作为一种抽象思维方法，对科学的发展起到了重要和积极的作用，如伽利略的斜面理想实验，不仅纠正了亚里士多德“力是物体运动原因”的观点，更为惯性定律的建立奠定了基础。著名的理想实验还有“牛顿大炮”和爱因斯坦的“追光”实验等。建议以表格的形式呈现资料查找的成果
命题意图：在资料查找、文献阅读和互相分享的过程中，提升学生对科学本质的理解。
主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；交流（Ⅰ）；科学本质（Ⅰ）。
资料链接
惯性系
伽利略通过对从帆船桅杆顸部落下石块的运动分析形成了惯性定律的雏形，并以地球为静止的惯性参考系，这是因为在比较粗略的力学实验和测量中，地球是一个近似程度很好的惯性参考系。通常把惯性参考系定义为：能使牛顿第一定律成立的参考系称为惯性参考系，相对于惯性参考系匀速直线运动的参考系也是惯性参考系。仔细推敲会发现牛顿第一定律说的是物体在不受外力情况下将保持原有静止或匀速直线运动的状态，这里就出现一个问题：这种运动状态是相对哪个参考系的？如果是相对惯性系的，那么什么又是惯性系呢？
牛顿在第一定律的表述中并没有明确指出“静止状态”或“匀速直线运动状态”是对什么参考系而言的，但牛顿的思想中隐含着绝对时空的观念，认为时间和空间是绝对的，存在着绝对静止的参考系，物体的“静止”或“匀速直线运动”都是相对绝对静止参考系的。实际上一切运动都是相对的，不存在绝对静止的物体。爱因斯坦继承了这一思想，建立了相对论时空观，否定了牛顿的绝对时空观。
伽利略和牛顿都是首先选取了惯性参考系以后才讨论包括惯性定律在内的各种力学问题的。所谓惯性参考系应理解为抽象出来的科学概念。从实际操作的角度而言，既然绝对静止的参考系井不存在，在处理实际力学问题时可以选取近似的惯性系如地球、太阳、银河系中心等；因为在这些近似的惯性系中做力学实验时牛顿定律近似成立，只是近似程度不同，可以根据问题的需要和所能接受的近似程度选取。实践表明，对于一般工程技术中的动力学问题，与地球相固结的坐标系是一个很好的近似惯性系。但在研究大气或海洋的大范围运动或航天器的空间运行时，必须考虑地球自转的影响，这时地心坐标系就是一个更精确的惯性系。如果研究空间探测器的星际飞行，还需考虑地球的绕日公转，应使用日心坐标系作为惯性系。
相对惯性系做匀速直线运动的任何参考系都是惯性系，在这些参考系中，力学规律的表达形式都相同，即在任一惯性系中通过力学实验无法测定惯性系本身的速度。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中，伽利略列举了大量事实说明在做匀速直线运动的船上和在地面上的力学规律的表达形式完全相同，所有惯性参考系都是等价的。这就是力学相对性原理（也称为伽利略相对性原理）。
伽利略相对性原理是物理学基本原理之一，是牛顿时空观的基础，其正确性被大量的物理事实所证明。爱因斯坦在论文《论动体的电动力学>中将力学的相对性原理推广到物理学的其他领域，提出了狭义相对论相对性原理：在任何惯性系中，物理定律具有相同的表达形式。该原理与光速不变原理是狭义相对论的两条基本原理。
发布时间：2021/7/14 下午4:31:49 阅读次数：5077
