高中物理粤教版 (2019)必修 第一册第一节 牛顿第一定律图片课件ppt

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我们在第一章引入了描述运动的一些概念，并没有对物体为什么会做形式多样的运动做深入的探讨，要讨论这个问题，必须进一步思考运动和力的关系，本节我们将从历史的角度，沿着科学家们思考的足迹，展示科学家们对运动原因的探索，从中领会科学方法和科学思想，体会科学家们对人类的贡献和正确思想的来之不易。
运动和运动原因一直是人类探求的课题。两千多年前，亚里士多德认为，有力作用在物体上，物体才运动；撤掉力，运动就停止。维持物体运动需要力。在近两千年的时间里，亚里士多德的这种观点一直是主流思想。亚里士多德的观点有事实依据吗？我们不妨演示生活中一个常见的现象：箱子原来静止在粗糙的水平面上，当人用力推时，箱子被推动：手松开后，箱子停下来。生活中类似的现象还有很多。长期以来，人们从经验出发，认为要使一个物体运动，必须推或拉。停止推拉，物体也就很快停止运动。这和两千多年前亚里士多德基于观察和直觉得出的结论是一致的。
亚里士多德是古希腊哲学的集大成者，他一生勤奋治学，写下了大量的著作，被誉为“百科全书式的哲学家”。同时，他还是许多学科的创始人，如伦理学、政治学、逻辑学等，他的思想对人类产生了深远的影响，对科学进步做出了贡献，恩格斯称他为“最博学的人”。但是，在力与运动的关系方面，他结合生活经验所下的结论只是一种表面现象，真正的原因有待进一步探究。
在生活中，我们也看到这样的现象：一辆小车静止在水平面上，当用力推它，小车运动起来；当停止推它，小车并没有马上停下来，而是运动一段距离后才停下来。
伽利略根据上述现象，认为一个运动物体的自然倾向是继续运动，并不需要力来维持这个运动。运动的物体之所以会停下来，是因为受到摩擦力的阻碍作用。如果没有摩擦力，那么物体会怎样运动呢？
伽利略曾这样评价亚里士多德:“老实说，我赞成看亚里士多德的著作，并精心进行研究。我只是责备那些把自己完全沦为亚里士多德奴隶的人。”
伽利略推断物体将处于静止或以恒定的速度一直运动下去。接着，伽利略通过理想斜面实验进行推理论证。
如图所示，让小球从斜面 AB 的某一高度由静止释放，小球将滚上另一个斜面 BC。 斜面越光滑，小球上升的高度越接近原来的高度；如果没有摩擦力这个小球将达到与原来同样的高度。
如果减小斜面的倾角，小球仍会达到同一高度，但要通过更长的路程。如果继续减小斜面的倾角，小球经过的路程就会越来越长，但最终仍能到达原来的高度。如果斜面变成水平面，小球将无法达到原来的高度，只能以恒定的速度一直运动下去。
伽利略利用这个理想斜面实验，从实验结果出发，应用科学推理的方法，得出了“物体的运动不需要力来维持”的结论，从而否定了维持近两千年的亚里士多德的观点，我们知道，伽利略斜面实验是理想实验，并非真实的实验，这是伽利略凭空想象出来的吗？科学研究中的任何想象均是基于现实的，不可能凭空想象，那么伽利略当时依据的事实是什么呢？
如图1所示是伽利略针和单摆实验装置示意图。将一单摆上端固定，摆球拉向一边，由静止释放小球，小球会摆动到另一边，用水平尺子标记其高度。
(1) 如图2所示是伽利略针和单摆实验过程示意图。将单摆悬挂在一定点O处，将小球拉到左边 A 处，与尺子同高度的地方，从静止释放小球，可以观察到什么现象? 小球运动到右边，能达到同等高度的位置吗?
(2) 在小球悬点O的正下方O1处固定一根针，当球由左边 A 处往右边摆动时，碰到针，它还会摆到相同的高度吗?(3) 提高针的位置至点O2 ，小球还会摆到相同的高度吗?(4) 多次改变小球的悬点并观察小球的运动路径，受到了什么启发？这个轨迹跟哪个实验设想类似？
伽利略用一根针多次改变小球的悬点，重复实验，在当时的测量条件下，伽利略得到的结论是小球总能上升到原来的高度；针的位置越高，摆球运动的轨迹越长，运动得越远。 改变小球的悬点，小球的运动轨迹 AB，AC，AD(如图2所示)，与前述的理想斜面实验相似，伽利略理想斜面实验的灵感即来源于此。他将小球来回摆动的现象与小球在斜面上的运动联系在一起，认为小球在理想斜面上的运动，可以看成没有阻力的单摆所以小球在斜面上会上升到原来的高度。
伽利略设计的斜面实验虽然是想象中的实验，但它建立在可靠事实的基础上。理想实验是科学研究中的一种重要方法，它突出了事物的本质特征，能达到现实科学实验无法达到的极度简化和纯化的程度，它不仅可以发挥理性思维的逻辑力量，还可以让思维超越当时的科学技术水平，在想象的广阔天地里自由驰骋。伽利略对科学推理方法的发现和运用，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。
伽利略的研究只说明了“当物体没有受到其他作用时，将永远运动下去”，但对非水平面上的运动是否需要力来维持以及做什么运动，没有给出合理的解释和具体的说明。法国科学家笛卡尔在《哲学原理》一书中，对伽利略的观点进行了补充和完善。笛卡尔认为，如果没有其他原因，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。这个补充，很明显指出了物体在非水平面上的运动也不需要力来维持。
牛顿在伽利略和笛卡尔等人研究的基础上，系统地总结出动力学的一条基本定律，称为牛顿第一定律。
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止这就是牛顿第一定律。
物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，叫作惯性。牛顿第一定律又叫作惯性定律。大量事实说明：任何物体无论处于什么状态，都具有惯性。惯性是物体的固有属性，质量是惯性大小的量度，质量越大的物体惯性越大，质量越小则惯性越小。
在日常生活中，我们有时会利用惯性。例如我们洗完手后使劲甩手，可把手上的水用掉，这是由于手间歇地停止运动，水滴则因惯性而依旧保持原来的运动状态，从而使水滴与手分离。我们有时又要防止惯性，例如严禁汽车超载就是为了防止惯性带来危害。因为质量越大，相应的惯性也就越大。汽车超载使其惯性加大，在遇到紧急情况时很难刹住车，从而容易造成交通事故。
如果一个物体的速度的大小和方向都保持不变，我们就说这个物体的运动状态保持不变。否则，我们就说这个物体的运动状态发生了改变。
牛顿第一定律告诉我们，如果物体没有受到外力作用，物体的速度不发生改变；当物体受到外力作用、速度发生改变时，物体具有加速度。所以，力不是维持物体运动的原因，而是使物体产生加速度的原因。由此可知，如果物体所受合外力为零，那么原来静止的会继续保持静止，原来运动的会一直保持匀速直线运动。如果物体所受合外力不为零，则物体原来的运动状态发生改变，即速度的大小或方向发生了改变。
需要指出的是，不受任何外力作用的物体是不存在的，牛顿第一定律描述的只是一种理想的状态。所以，牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的结果，无法用实验直接进行验证。通常我们所见到的匀速直线运动或静止状态，都是在平衡力作用下所呈现的状态。