高中鲁科版 (2019)第5章 牛顿运动定律第1节 牛顿第一运动定律学案设计

牛顿第一运动定律

【学习目标】

1．知道伽利略的理想实验及其推理过程

2．理解牛顿第一定律的内容及意义

3．理解惯性的概念

【核心素养目标】

物理观念：

1．知道牛顿第一定律的内容，了解惯性的含义；

2．会应用牛顿第一定律解释相关现象

科学思维：能从理想实验的发现过程学会处理新问题的方法

科学探究：可以根据理想实验的条件，结合当前器材，证明实验结果的正确性

科学态度与责任：有学习和研究处理新问题的内在动机，在新问题探究中既能坚持观点又能修正错误

【学习重难点】

1．会应用牛顿第一定律解释相关现象

2．能从理想实验的发现过程学会处理新问题的方法

【学习过程】

一、力与运动的关系

1．亚里士多德的观点：力是_____物体运动的原因。认为有力的作用，物体才会_____，没有力的作用，物体就会_______。

2．伽利略设计了理想的斜面实验：

（1）现象：当小球沿光滑斜面从左侧某一高度滚下时，无论右侧斜面的坡度如何，它都会沿斜面上升到与下落点_____的地方。

（2）结论：力不是_____物体运动的原因，而是_____物体运动状态的原因。

3．力与运动的关系：力可以_____物体的运动状态。

二、牛顿第一运动定律及其意义

1．内容：一切物体总保持_____________或_____状态，除非有外力迫使它_____________。

2．牛顿第一定律的意义：

（1）定性说明了力和运动的关系。

①说明了物体不受外力时的运动状态：_____或______________。

②说明了力是_________________的原因。

（2）揭示了一切物体都具有的一种固有属性——_____，因此牛顿第一定律也叫_____定律。

3．下列各种情况中，属于运动状态（速度）变化的是_______。

①速度的方向不变，只有大小改变。

②速度的大小不变，只有方向改变。

③速度的大小和方向同时改变。

三、惯性与质量

1．惯性：任何物体都有______________________的属性。

2．下列关于惯性的说法中，正确的有___________。

①惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。

②质量是惯性大小唯一的量度，质量越大，惯性越大。

③惯性是一种力，因此我们可以说“受到了惯性作用”“产生了惯性”“受到惯性力”。

④惯性是维持物体运动状态的原因。

⑤物体不受力时，惯性表现为维持原来的运动状态。

⑥物体受力时，惯性表现为速度改变的难易程度，质量越大，速度越难改变。

⑦速度越大的车越难停下来，说明速度越大，惯性越大。

⑧惯性是可以被克服的。

一、伽利略理想实验

1．理想实验：

（1）操作过程：让小球沿光滑斜面从左侧某一高度滚下。

（2）实验现象：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。

（3）实验结论：斜面的倾角越小，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，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。

2．伽利略的理想实验的意义：

（1）研究方法：伽利略的理想实验将可靠的事实和理论推理结合起来，即采用“可靠事实+抽象思维+科学推理”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）历史意义：第一次确立了物理实验在物理学中的地位。

【素养训练】

如图所示是伽利略的“理想实验”，根据该实验下列说法正确的是（  ）

A．该实验是理想实验，是在思维中进行的，无真实的实验基础，故其结果并不可信

B．该实验充分证实了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”

C．该实验说明了物体的运动不需要力来维持

D．随着科技的进步，这个实验可以验证

二、牛顿第一定律及其意义

全面认识牛顿第一定律：

（1）一切：说明牛顿第一定律适用于任何物体，没有范围限制。

（2）没有受外力作用，说明定律成立条件包含两种情况：①物体不受任何力的作用，一种理想状态；

②物体所受合外力为零。

（3）总：指在成立条件下结果是确定的，没有例外。

（4）或：指两种状态必居其一，是选择的意思，不能同时存在，物体只能处于两种状态中的一种。

（5）定律揭示规律：

①物体本身有保持原来运动状态的属性，不受力是保持原来运动状态不变的原因之一；

②要改变物体的运动状态，必须有力作用于物体；

③力的作用不是维持运动，而是改变运动状态。

（6）不能用实验证明，只能在实验基础上通过科学推理得到。

【思考·讨论】

骑行自行车过程中，如果不给自行车提供力，自行车会慢慢停止，是否说明牛顿第一定律是违背事实的？

【规律方法】

牛顿第一定律应用技巧

（1）由“因”索“果”：在判断力与运动之间的关系时，明确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。

（2）由“果”索“因”：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力的作用，所以根据物体的运动状态分析物体所受合力是否为零。

（3）应用步骤：应用牛顿第一定律解释有关现象时。

①看物体原来的运动状态；

②看物体现在所受合力是否为零；

③判断由于物体具有惯性将会出现的现象。

【素养训练】

1．（多选）关于牛顿第一定律的理解正确的是（  ）

A．不受外力作用时，物体的运动状态保持不变

B．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

C．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

D．牛顿第一定律无法用实验直接验证，因此是不成立的

2．在磁悬浮列车里，小明将一小球放在水平桌面上相对桌面静止。关于小球与列车的运动，下列说法正确的是（  ）

A．如果小球向前滚动，则磁悬浮列车在加速前进

B．如果小球向后滚动，则磁悬浮列车在加速前进

C．如果小球不动，则磁悬浮列车一定静止

D．磁悬浮列车急刹车时，小球向后滚动

三、惯性与惯性定律

1．全方位认识惯性：

（1）物体本身具有维持原有运动状态的属性。

（2）惯性大小只由物体质量决定，与其他因素无关。

（3）惯性不是一种力，找不出这个“力”的施力物体。

（4）惯性不能被克服。

2．惯性定律：

物体不受力时，惯性表现为维持原有运动状态；物体受力时，惯性表现为运动状态改变难易。

【素养训练】

1．关于惯性，下列说法正确的是（  ）

A．只有在不受外力作用时物体才有惯性

B．当物体静止时，就不再具有惯性

C．惯性是指物体具有的保持原来静止或匀速直线运动状态的性质

D．两个物体只要速度相同，惯性就一定相同

2．如图所示，冰壶在冰面上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

【精炼反馈】

一、选择题（本题共6小题，每题4分，共24分）

1．（2019·泉州高一检测）他开创了运用数学推理和实验研究相结合探索自然规律的科学方法，爱因斯坦曾评价其所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端，这位科学家是（  ）

【解析】选C。伽利略的理想实验是在实验基础上结合科学推理得出结论，开创了历史先河，C正确。

2．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

D．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

【解题指南】（1）解决本题的关键是分析清楚人跳起后在水平方向的运动和车厢的运动之间的关系；（2）人由于惯性，跳起后在水平方向继续保持原来的运动状态；（3）车厢行驶中速度是否变化；（4）比较二者在水平方向的相对运动。

【解析】选D。人在静止的车厢内，跳起后，水平方向不动，车厢静止，二者水平方向保持静止，人下落后会回到原位置；当车厢匀速行驶时，二者水平方向保持相对静止，人依然会下落到原位置，A、B错误；人处于减速前进的车厢内跳起后，人在水平方向速度不变，但是车厢速度减小，人相对于车厢向前运动，人下落后会落到起跳点的前方，C错误；人处于加速行驶的车厢，人跳起后水平方向速度不变，车厢速度增大，人相对车厢向后运动，故人下落后，落在起跳点的后方，D正确。

3．下列说法中正确的是（  ）

A．越快的汽车越不容易停下来，这是因为汽车速度越快时惯性越大

B．小球由于重力作用而自由下落不是惯性运动，所以这时小球惯性不存在了

C．物体只有在速度改变时才能表现出惯性的大小

D．在宇宙飞船中的物体不存在惯性

【解析】选C。惯性是保持原来运动状态的属性，速度发生改变，运动状态就改变了，并非是变为零才是运动状态的改变，A错误；小球的重力迫使它改变静止状态，并不是惯性不存在，B错误；物体速度改变，即运动状态改变，速度越难改变说明惯性越大，C正确；任何物体在任何情况下都有惯性，D错误。

4．在水平路面上有一辆匀速行驶的小车，车上固定一盛满水的碗。现突然发现碗中的水洒出，水洒出的情况如图所示，则关于小车在此种情况下的运动，下列叙述正确的是（  ）

A．小车匀速向左运动

B．小车可能突然向右加速运动

C．小车可能突然向左减速运动

D．小车可能突然向右减速运动

【解析】选D。原来水和小车相对静止以共同的速度运动，水突然向右洒出有两种可能：原来小车向左运动，突然加速，碗中的水由于惯性保持原速度不变，故相对于碗向右洒出；或原来小车向右运动，突然减速，碗中的水由于惯性保持原速度不变，相对于碗向右洒出。故D正确，A、B、C错误。

【总结提升】处理惯性问题的一般方法

（1）明确研究的问题，它原来处在怎样的运动状态。

（2）当外力作用在该物体的某一部分（或外力作用在与该物体关联的其他物体上）时，这一部分的运动状态的变化情况。

（3）该物体由于惯性将保持怎样的运动状态，最后会出现什么现象。

5．我国新修订的道路安全交通法规定：在各种小型车辆前排乘坐的人必须系好安全带，因刹车时，汽车会很快停下来，而人还要继续向前运动，此时安全带对人施加向后的拉力，保障人的安全，在这一过程中（  ）

A．人和汽车都有惯性

B．人和汽车都没有惯性

C．人具有惯性，汽车没有惯性

D．汽车具有惯性，人没有惯性

【解析】选A。处于任何状态下的任何物体都具有惯性，由此可知选项A正确。

6．如图所示为月球车示意图，当该月球车分别在地面和月面以相同的速率行驶时，下列判断正确的是（  ）

A．在地面运动时的惯性较大

B．在月面运动时的惯性较大

C．在地面和月面惯性一样大

D．在地面运动时的质量较大

【解析】选C。惯性的大小仅与物体的质量有关，与物体的运动状态无关，所以当该月球车分别在地面和月面行驶时惯性是一样大的，A、B错误，C正确；质量是物体的固有属性，是不变的，D错误。

【补偿训练】

月球表面的重力加速度为地球表面的重力加速度的，同一个飞行器在月球表面上与在地球表面上相比较（  ）

A．惯性减小为，重力不变

B．惯性和重力都减小为

C．惯性不变，重力减小为

D．惯性和重力都不变

【解析】选C。物体的惯性大小仅与物体的质量有关，因为质量是恒量，同一物体的质量与它所在的位置及运动状态无关，所以这个飞行器从地球到月球，其惯性大小不变。物体的重力是个变量，这个飞行器在月球表面上的重力为G月=mg月=m·g地=G地。则C正确，A、B、D错误。

二、非选择题（本题共2小题，共36分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要标明单位）

7．（16分）找两个瓶子，内盛水，一个小铁球、一个与小铁球体积相同的小泡沫塑料球、两根细绳。将铁球和泡沫塑料球系好，小铁球在水中下沉，瓶正放（图甲），泡沫塑料球在水中上浮，瓶倒放（图乙）。当瓶突然向右运动时，观察比较小球的运动状态。说出你观察到的现象并解释。             

【解析】因为相同体积的水的质量与球的质量不相同，质量越大，运动状态越难以改变，故铁球运动状态的改变比瓶子（及瓶子中的水）慢，所以铁球会相对瓶子向左偏，而泡沫塑料球运动状态的改变比瓶子（及瓶子中的水）快，所以泡沫塑料球会相对瓶子向右偏。

答案：见解析

8．（20分）在水平轨道上行驶的火车车厢中的桌面上放有一个皮球，它能静止在桌面上，如果皮球相对于面向火车前进方向的乘客发生下列运动，试说明火车的运动状态发生了怎样的变化？

（1）皮球向前运动。

（2）皮球向后运动。

（3）皮球向右运动。

（4）皮球向左运动。

【解析】由牛顿第一定律可知：（1）火车做减速运动。（2）火车做加速运动。

（3）火车向左转弯。（4）火车向右转弯。

答案：见解析

【补偿训练】

有人设想，乘坐气球飘在高空，由于地球的自转，一昼夜就能周游世界。请你评价一下，这个设想可行吗？

【解析】因为地球上的一切物体（包括地球周围的大气）都随着地球一起在自转，气球升空后，由于惯性，它仍保持原来的自转速度。当忽略其他与地球有相对运动（如风）的作用产生的影响时，升空的气球与它下方的地面处于相对静止的状态，不可能使它相对地球绕行一周。

答案：见解析

9．（6分）（多选）不同类型的汽车在同一条水平公路上直线行驶，则下列说法正确的是（  ）

A．车速越大的汽车，它的惯性越大

B．质量越大的汽车，它的惯性越大

C．车速越大的汽车，紧急刹车后滑行的路程越长

D．质量越大的汽车，紧急刹车后滑行的路程越长

【解析】选B、C。质量是惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大；紧急刹车后，汽车做匀减速直线运动，此时v2=2μgs，由此可知速度越大的汽车，滑行的路程越长，与汽车质量无关。

10．（6分）一碗水置于火车车厢内的水平桌面上。当火车向右做匀减速直线运动时，水面形状接近于（  ）

【解析】选A。当火车向右做匀减速直线运动时，碗内的水由于惯性，保持原来较大的速度向右运动，则只有图A所示的情形符合要求。

【补偿训练】

如图所示，一个劈形物体A，各面均光滑，放在固定的斜面上，上表面水平，在上表面上放一个光滑的小球B，劈形物体A从静止开始释放，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．无规则曲线 

D．抛物线

【解析】选B。力是改变物体运动状态的原因，物体不受力将保持原来的静止或匀速直线运动状态。由于劈形物体A各面均光滑，所以小球B在水平方向上不受力作用，故小球B在水平方向上将保持“静止”状态，由于小球B在竖直方向上受到重力和物体A的支持力作用，运动状态改变，做竖直方向的运动，则B正确，A、C、D错误。

11．（6分）沿平直轨道以速度v匀速行驶的车厢内，车厢前壁高为h的光滑架上放着一个小球随车一起做匀速运动，如图，若车厢突然改为以加速度a向前做匀加速直线运动，小球将脱离支架而下落，在车厢内的乘客看来（  ）

A．小球的运动轨迹为向后的抛物线

B．小球做自由落体运动

C．小球的运动轨迹为向前的抛物线

D．小球的运动轨迹为斜向后的直线

【解析】选D。以乘客为参考系，小球在水平方向上向左做初速度为零的匀加速直线运动，在竖直方向上做自由落体运动，两个初速度为零的匀加速直线运动的合运动的轨迹为直线。故D正确，A、B、C错误。

【补偿训练】

如图所示，在上表面光滑的小车上放有质量m1的物块和质量为m2的小球，且m1>m2，开始时物块、小车、小球一起在水平面上匀速运动，现让小车向右匀加速运动，则（  ）

A．由于m1>m2，物块将向前与小球相碰

B．由于m1>m2，物块的惯性大，在小车上小球相对物块向左运动

C．由于m1>m2，物块的惯性大，在小车上物块相对球向右运动

D．物块的质量大，惯性也大，但在小车上小球相对物块仍静止

【解析】选D。小车向右匀加速运动时，由于小车上表面光滑，小车对物块和小球水平方向没有作用力，由于惯性，两者相对于地面以相同速度匀速运动，所以物块和小球相对静止，不会相碰；m1>m2，物块的惯性大。

12．（22分）如图所示，一木块放在小车上随小车一起在水平面上向右做匀速直线运动，当小车遇到一障碍物时，小车停下，则：

（1）如果小车上表面粗糙，则木块将如何运动？

（2）如果小车上表面光滑，则木块将如何运动？

【解析】 （1）当小车遇到障碍物时，小车停下，木块由于惯性将继续向右运动，若小车上表面粗糙，木块下部受到一个向左的摩擦力，使其下部的运动状态发生改变，很快停止，而上部仍要向右运动，所以木块将向右倾倒。

（2）如果小车上表面光滑，当小车停止时，木块有向右运动的状态，而木块下部不受摩擦力，这样整个木块由于惯性将保持向右的匀速直线运动而不会倾倒。

答案：见解析