4-1-牛顿第一定律-(2019人教版必修第一册)(解析版)

4.1牛顿第一定律考点精讲考点1：理想实验的魅力1．伽利略的理想实验（1）(实验事实)如图所示，两个斜面平滑地对接在一起，小球从一个斜面的某一高度自由滚下，在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等，伽利略分析高度的微小差别是由摩擦阻力引起的。（2）(科学推理)若两个斜面均光滑，则小球一定会上升到原来的高度。（3）(科学推理)若减小第二个斜面的倾角，则小球仍然会到达相同的高度，不过，在第二个斜面上滚得远些。（4）(科学推理)若将第二个斜面放平(成为水平面)，那么小球从第一个斜面上滚下来之后，为达到原有高度，将以恒定的速度在无限长的水平面上永远不停地运动下去。【点拨】伽利略的理想实验是伽利略在实验事实的基础上塑造的一种理想过程。它以科学实验为基础，以科学事实为根据，突出主要因素，忽略次要因素，是运用逻辑推理揭示物理知识的内在联系、发现物理规律的重要方法。2．伽利略理想实验的意义（1）伽利略用“实验和科学推理”的方法推翻了亚里士多德的观点。（2）第一次确立了物理实验在物理学研究中的基础地位。（3）揭示了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。（4）“理想实验”的研究方法在自然科学的理论研究中有着重要的作用。但是，“理想实验”的方法也有其一定的局限性，由“理想实验”所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验。【例1】伽利略创造的把实验、假设和逻辑推理相结合的科学方法，有力地促进了人类科学认识的发展．利用如图所示的装置做如下实验：小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升．斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3.根据三次实验结果的对比，可以得到的最直接的结论是()A．如果斜面绝对光滑，小球将上升到与O点等高的位置B．如果小球不受力，它将一直保持匀速运动或静止状态C．如果小球受到力的作用，它的运动状态将发生改变D．小球受到的力一定时，质量越大，它的加速度越小【解析】根据题意，铺垫材料粗糙程度降低时，小球上升的最高位置升高，当斜面绝对光滑时，小球在斜面上没有能量损失，因此可以上升到与O点等高的位置，而B、C、D三个选项，从题目不能直接得出，故选项A正确．【答案】A理解理想实验应注意的三点1真实实验是一种实践活动，是可以通过一定的实验器材和实验方法来实现的实验。2理想实验是一种思维活动，是抽象思维中设想出来的、无法做到的实验。3理想实验是以可靠的实验事实为基础的。【针对训练】1．理想实验有时能更深刻地反映自然规律。伽利略设想了一个理想实验，下面对如图所示的斜面实验的设想步骤中，有一个是可靠事实，其余是推论。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时的高度；④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它变成水平面，小球将沿水平面做持续的匀速直线运动。（1）请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列：(填写序号即可)。（2）将上述设想步骤中的可靠事实和理想化的推论进行分类。属于可靠事实的步骤是；属于理想化推论的步骤是。【分析】整个实验是在一定的实验事实的基础上，通过推理形成结论，因此要会按逻辑关系排顺序。在现实生活中，摩擦是不可避免的，因此，凡是不考虑摩擦影响的都是理想化。【解析】伽利略理想实验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。②是可靠事实，因此放在第一步，①③④是在无摩擦情况下的理想化推论。【答案】(1)②③①④(2)②①③④2．16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，开启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，它总会逐渐停下来，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【答案】D【解析】由牛顿运动定律可知，力是物体运动状态发生变化的原因，而不是维持物体运动的原因，故A、B错误．两物体从同一高度自由下落，物体下落的速度与物体的质量无关，故C错．由力的平衡知识可知，物体处于静止或匀速直线运动时，所受合外力为零，故一个物体维持匀速直线运动，不需要外力，选项D正确．3．(多选)如图所示的装置可以演示伽利略的理想斜面实验，装置为两个对接的斜面，让小球沿左边的斜面滑下，并滚上右边的斜面，然后改变右边斜面的倾角，重复操作，利用曝光频率一定的相机拍下小球在运动过程中的图片，则()A．该实验为牛顿第一定律的提出提供了有力的依据，因此牛顿第一定律是实验定律B．由图可知小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小，因此证实了“物体的运动需要力维持”C．当右侧的斜面水平时，小球近似做匀速直线运动，说明“如果没有外力的作用，小球将在水平面上永远运动下去”D．如果没有摩擦，小球在右边的斜面上将运动到与左边释放点相同的高度【答案】CD【解析】该实验为牛顿第一定律的提出，提供了有力的依据，但没有摩擦力，只是一种假设，所以该实验是一种理想化实验，牛顿第一定律不是实验定律，所以A错误；小球在右侧的斜面上的速度逐渐减小是因为受力的作用，说明力是改变物体运动状态的原因，B错误；根据实验，右侧的斜面水平时，小球近似做匀速直线运动，如果没有外力作用，小球将在水平面上永远运动下去，故C正确；如果没有摩擦，小球一定会上升到相同的高度，D正确。考点2：牛顿第一定律1．运动状态变化的三种情况（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。(物体做匀速圆周运动)（3）速度的大小和方向同时发生改变。(物体做曲线运动)2．对牛顿第一定律的理解（1）明确了惯性的概念牛顿第一定律的前半句话“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，表明了物体所具有的一个重要的属性——惯性，即物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，牛顿第一定律指出一切物体在任何情况下都具有惯性。因此牛顿第一定律又叫惯性定律。（2）揭示了力和运动的关系牛顿第一定律的后半句话“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”，实质上是揭示了力和运动的关系，即力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动的原因。（3）反映了物体不受外力时的运动状态匀速直线运动或静止(即原来运动的保持其速度不变，原来静止的保持静止)。不受外力作用的物体是不存在的，但物体所受外力的合力为零与不受外力在效果上是等效的，这就使牛顿第一定律具有了实际意义。【点拨】牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，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，有力作用在物体上，它的运动状态就会改变，即速度一定会改变．【例2】如图所示，一个劈形物体M(各面均光滑)放在固定的斜面上，上表面水平，在其上表面放一个光滑小球m。劈形物体由静止开始释放，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．无规则的曲线D．抛物线【答案】B【解析】由于小球处在物体M上，接触面光滑，在物体M下滑过程中，小球在水平方向上不受外力作用，则小球在水平方向上没有位移，仅沿竖直方向运动，故B正确。应用牛顿第一定律解题步骤应用牛顿第一定律解释有关现象时，一要看物体原来的运动状态，二要看物体现在的受力情况及所受合力是否为零，最后判断由于物体具有惯性将会出现的现象。【针对训练】1．在学习了牛顿第一定律后，四位同学分别列举实例提出了自己的不同认识，你认为以下四个选项中几位同学的研究结论正确的是()A．甲同学研究从地面竖直向上跳起来的运动．地球绕着地轴自西向东自转，他发现人总是落回原处，经过思考，他认为这是因为人在空中滞留的时间太短，如果时间足够长，人应该落在跳起点的西侧B．乙同学通过观察资料片，他发现在轨道上的卫星不用火箭施加任何推力就能自行绕地球运转，他认为是惯性维持了卫星的这种运动C．丙同学通过观察发现，让一列火车停下来比让一辆汽车停下来要困难得多，他认为根本原因是列车的惯性要比汽车的惯性大D．丁同学观看战争资料片，研究飞机投弹轰炸，他认为若要炸得准确，关键是当飞机飞到目标正上方时，准确将炸弹释放【答案】C【解析】地球绕着地轴自西向东自转，甲同学研究从地面竖直向上跳起来的运动．人跳起时相对地面水平方向静止，由于惯性，他在起跳的这段时间内，水平方向仍然要保持相对地面静止，所以人总是要落回原处，和时间的长短并没有关系，A错；轨道上的卫星能自行绕地球运转，受到了地球的引力作用，B错；炸弹要投得准确，必须提前释放炸弹，这样由于惯性，炸弹在水平方向保持匀速运动，飞行一段距离后才正好到达目标，D错．2．下列关于牛顿第一定律以及惯性概念的说法中，正确的是()A．牛顿第一定律说明，只有不受外力的物体才保持匀速直线运动状态或静止状态B．物体运动状态发生变化则物体一定受到力的作用C．惯性定律与惯性的实质是相同的D．物体的运动不需要力来维持，但物体的运动速度越大时其惯性也越大【答案】B【解析】当物体所受的合力为零时，物体也可以处于匀速直线运动状态或静止状态，A错误；由牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因，B正确；惯性是物体保持原有运动状态不变的一种性质，惯性定律(即牛顿第一定律)则反映物体在一定条件下的运动规律，C错误；物体的惯性与运动速度大小无关，D错误．3．如图所示，在一辆表面光滑且足够长的小车上，有质量为m1和m2的两个小球(m1>m2)，两个小球随车一起运动，当车突然停止运动时，若不考虑其他阻力，则两个小球()A．一定相碰 B．一定不相碰C．不一定相碰 D．无法确定【答案】B【解析】小车表面光滑，因此两小球在水平方向上没有受到外力的作用。原来两个小球与小车具有相同的速度，当车突然停止运动时，由于惯性，两个小球的速度不变，所以不会相碰，故B正确。考点3：惯性与质量1．惯性的理解（1）惯性是物体保持原来运动状态的一种性质，是物体维持运动状态的原因。（2）一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有属性。2．惯性的表现形式（1）物体不受力时，惯性表现为保持原来的运动状态。（2）物体受力且合力不为零时，物体仍然具有惯性，此时惯性表现为物体运动状态改变的难易程度，惯性越大，物体运动状态越难改变。3．几个关系（1）惯性与质量的关系：质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大。（2）惯性与力的关系：惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，惯性大小与物体的受力情况无关。（3）惯性与速度：一切物体都有惯性，惯性大小与物体是否有速度及速度的大小无关。（4）惯性与惯性定律：惯性是物体具有的一种固有属性，惯性定律是物体不受外力时所遵循的一条规律，属性不同于规律。惯性定律揭示了物体的惯性。【开3】月球表面上的重力加速度为地球表面上的重力加速度的eq\f(1,6)，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eq\f(1,6)，重力不变B．惯性和重力都减小为在地球表面时的eq\f(1,6)C．惯性不变，重力减小为在地球表面时的eq\f(1,6)D．惯性和重力都不变【答案】C【解析】物体的惯性大小仅与物体的质量有关，同一物体的质量与它所在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。这个飞行器在月球表面上的重力为G月＝mg月＝m·eq\f(1,6)g地＝eq\f(1,6)G地，故选项C正确。质量是惯性大小的唯一量度。质量不随物体所处位置的变化而变化，重力由质量和重力加速度决定。【针对训练】1．亚里士多德在其著作《物理学》中说：一切物体都具有某种“自然本性”，物体由其“自然本性”决定的运动称之为“自然运动”，而物体受到推、拉、提、举等作用后的非“自然运动”称之为“受迫运动”．伽利略、笛卡儿、牛顿等人批判的继承了亚里士多德的这些说法，建立了新物理学；新物理学认为一切物体都具有的“自然本性”是“惯性”．下列关于“惯性”和“运动”的说法中不符合新物理学的是()A．一切物体的“自然运动”都是速度不变的运动——静止或者匀速直线运动B．作用在物体上的力，是使物体做“受迫运动”即变速运动的原因C．可绕竖直轴转动的水平圆桌转的太快时，放在桌面上的盘子会向桌子边缘滑去，这是由于“盘子受到的向外的力”超过了“桌面给盘子的摩擦力”导致的D．竖直向上抛出的物体，受到了重力，却没有立即反向运动，而是继续向上运动一段距离后才反向运动，是由于物体具有惯性【答案】C【解析】力不是维持物体运动状态的原因，力是改变物体运动状态的原因，所以当物体不受到任何外力的时候，总保持静止或者匀速直线运动的状态，故选项A正确；当物体受到外力作用的时候，物体的运动状态会发生改变，即力是改变物体运动状态的原因，故选项B正确；可绕竖直轴转动的水平圆桌转的太快时，放在桌面上的盘子会向桌子边缘滑去，这是由于“盘子需要的向心力”超过了“桌面给盘子的摩擦力”导致的，故选项C错误；由于物体具有向上的速度，所以具有向上的惯性，虽然受到向下的重力，但物体不会立刻向下运动，故选项D正确．2．(对惯性的理解)关于惯性的大小，下面说法中正确的是()A．两个质量相同的物体，速度大的不容易停下来，所以速度大的物体惯性大B．在月球上举重比在地球上容易，所以质量相同的物体在月球上比在地球上惯性小C．推动地面上静止的物体，要比维持这个物体做匀速运动所需的力大，所以物体静止时惯性大D．两个质量相同的物体，不论速度大小，它们的惯性的大小一定相同【答案】D【解析】物体的惯性只与物体的质量有关，两个质量相同的运动物体，惯性大小相等，与速度和所处位置无关，故A、B、C错误，D正确。3．(对惯性现象的分析)如图所示，一个盛水的容器固定在一个小车上，在容器中分别用绳悬挂和拴住一只铁球和一只乒乓球，容器中的水和铁球、乒乓球都处于静止状态。当容器随小车突然向右运动时，两球的运动状况是(以小车为参考系)()A．铁球向左，乒乓球向右B．铁球向右，乒乓球向左C．铁球和乒乓球都向左D．铁球和乒乓球都向右【答案】A【解析】静止的小车突然向右运动，即向右加速运动，由于与同体积的“水球”相比，铁球质量大、惯性大，铁球的运动状态难改变，即速度变化慢，而同体积的“水球”的运动状态容易改变，即速度变化快，而且水和车一起向右加速运动，所以当小车突然向右运动时，铁球相对于小车向左运动。同理，由于乒乓球与同体积的“水球”相比，质量小、惯性小，故乒乓球相对于小车向右运动，故A正确。考点一理想实验的魅力1．在物理学的发展过程中，许多物理学家的研究推动了人类文明的进程。在对以下几位物理学家所做的贡献的叙述中，正确的是()A．亚里士多德认为较重物体与较轻物体下落得一样快B．伽利略通过理想斜面实验认为物体的运动不需要力维持C．笛卡儿认为如果物体受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一方向运动下去D．牛顿认为力不仅可以维持物体的运动，而且可以改变物体的运动状态【解析】B[亚里士多德认为重的物体下落的快，轻的物体下落的慢，A项错误；伽利略通过理想斜面实验得出力不是维持物体运动状态的原因，B项正确；笛卡儿认为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，C错误；牛顿认为力不是维持物体运动而是改变物体运动状态的原因，D错误。2．伽利略理想实验揭示了()A．若物体运动，那么它一定受力B．力不是维持物体运动的原因C．只有受力才能使物体处于静止状态D．只有受力才能使物体运动【解析】B伽利略理想实验指出：如果水平面没有摩擦，那么在水平面上的物体一旦获得某一速度，物体将保持这一速度一直运动下去，而不需要外力来维持，故A、D错误；运动和静止都不需要力来维持，故B正确，C错误。3．伽利略创造性的实验方法有力地促进了人类科学认识的发展。利用如图所示的装置做实验：小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升，右侧斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3，根据三次实验结果的对比，可以得到的最直接的结论是()A．如果斜面光滑，小球将上升到与O点等高的位置B．如果小球不受力，它将一直保持匀速直线运动或静止状态C．如果小球受到力的作用，它的运动状态将发生改变D．小球受到的力一定时，质量越大，它的加速度越小【解析】A实验与结论由实验现象很容易得出，不需要理论推导的一般性结论为直接结论实验现象斜面粗糙程度减弱，小球上升高度依次增加直接结论若斜面光滑，小球可到达与O点相同高度说明选项A跟实验现象都是描述小球能够到达的位置，选项B、C、D所描述的结论跟实验现象不符，A正确考点二牛顿第一定律4．做自由落体运动的物体，如果下落过程中某时刻重力突然消失，物体的运动情况将是()A．悬浮在空中不动B．速度逐渐减小C．保持一定速度向下做匀速直线运动D．无法判断【解析】C物体自由下落时，仅受重力作用，重力消失以后，没有力作用在物体上，根据牛顿第一定律的描述，物体将以重力消失瞬间的速度向下做匀速直线运动，C正确。5．(多选)关于物体运动状态与所受外力的关系，下列说法正确的是()A．物体受到恒力作用时，它的运动状态不发生改变B．物体受到不为零的合力作用时，它的运动状态要发生改变C．物体受到的合力为零时，它可能处于静止状态D．物体不受外力作用时，一定处于静止状态【解析】BC力是改变物体运动状态的原因，只要物体所受合力不为零，它的运动状态就一定会改变，A错误，B正确；物体不受力或所受合力为零，其运动状态一定不变，即保持静止状态或匀速直线运动状态，C正确，D错误。6．在学习牛顿第一定律时，为了探究力对运动的影响，学习小组做了如图所示的甲、乙、丙实验。下列有关叙述正确的是()甲乙丙A．每次实验时，小车可以从斜面上的不同位置由静止开始下滑B．实验表明：小车受到的摩擦力越小，小车运动的距离就越近C．实验中水平面上运动的小车会停下来，说明力能改变物体的运动状态D．根据甲、乙、丙的实验现象，就可以直接得出牛顿第一定律【解析】C实验中要求小车从斜面上的相同位置由静止开始下滑，可以保证小车到达斜面底端的速度相等，然后通过不同情况的水平面，可确定力的大小对运动的影响，选项A错误；实验表明：小车受到的摩擦力越小，小车运动的距离就越远，选项B错误；小车在水平面上运动时受到摩擦力的作用会停下来，其运动的状态发生变化，说明力能改变物体的运动状态，选项C正确；从甲、乙、丙三个实验可得出力是改变运动状态的原因，而不能得出不受力时的运动情况，选项D错误。7．下列关于牛顿第一定律以及惯性概念的说法中，正确的是()A．牛顿第一定律说明，只有不受外力的物体才保持匀速直线运动状态或静止状态B．物体运动状态发生变化则物体一定受到力的作用C．惯性定律与惯性的实质是相同的D．物体的运动不需要力来维持，但物体的运动速度越大时其惯性也越大【解析】B当物体所受的合力为零时，物体也可以处于匀速直线运动状态或静止状态，A错误；由牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因，B正确；惯性是物体保持原有运动状态不变的一种性质，惯性定律(即牛顿第一定律)则反映物体在一定条件下的运动规律，C错误；物体的惯性与运动速度大小无关，D错误．考点三惯性与质量8．对物体的惯性有这样一些理解，你觉得正确的是()A．汽车快速行驶时惯性大，因而刹车时费力，惯性与物体的速度大小有关B．在月球上举重比在地球上容易，所以同一物体在地球上惯性比在月球上大C．加速运动时，物体有向后的惯性；减速运动时，物体有向前的惯性D．不论在什么地方，不论物体原有运动状态如何，物体的惯性是客观存在的，惯性的大小与物体的质量有关【解析】D惯性就是物体保持原来的运动状态的性质，与物体速度大小、状态变化快慢及处在何处均无关。大小的唯一量度是物体的质量，同一物体，质量不变，则惯性不变，选项D正确。9．(多选)如图所示，一向右运动的车厢顶上悬挂两单摆M与N，它们只能在图示平面内摆动，某一时刻出现图示情景，由此可知车厢的运动及两单摆相对车厢运动的可能情况是()A．车厢做匀速直线运动，M在摆动，N静止B．车厢做匀速直线运动，M在摆动，N也摆动C．车厢做匀速直线运动，M静止，N在摆动D．车厢做匀加速直线运动，M静止，N也静止【解析】AB由牛顿第一定律知，当车厢做匀速直线运动时，相对于车厢静止的小球，其悬线应在竖直方向上，故M球一定不能在图示情况下相对于车厢静止，说明M正在摆动；而N既有可能相对于车厢静止，也有可能相对于车厢摆动恰好到达图示位置，A、B正确，C错误；当车厢做匀加速直线运动时，物体的运动状态改变，合外力一定不等于零，故不会出现N球悬线竖直且相对于车厢静止的情况，D错误。10．（多选）如图所示，光滑水平面上静止着一辆小车，在酒精灯燃烧一段时间后塞子喷出．下列说法正确的是()A．由于塞子的质量小于小车的质量，喷出时塞子受到的冲击力将大于小车受到的冲击力B．由于塞子的质量小于小车的质量，喷出时塞子受到的冲击力将小于小车受到的冲击力C．塞子喷出瞬间，小车对水平面的压力大于小车整体的重力D．若增大试管内水的质量，则可以增大小车整体的惯性【解析】CD喷出时塞子受到的冲击力和小车受到的冲击力大小相等，方向相反，故A、B错误；塞子喷出瞬间，试管内的气体对小车整体有斜向左下的作用力，所以小车对水平面的压力大于小车整体的重力，故C正确；若增大试管内水的质量，则小车整体的惯性增大，故D正确．11．（多选）一汽车在路面情况相同的公路上沿直线行驶，下面关于车速、惯性、质量和滑行位移的讨论，正确的是()A．车速越大，它的惯性越大B．质量越大，它的惯性越大C．车速越大，刹车后滑行的位移越长D．车速越大，刹车后滑行的位移越长，所以惯性越大【解析】BC要理解质量是惯性大小的唯一决定因素．惯性是物体的固有属性，其大小由物体的质量确定，质量越大惯性越大，所以A错B正确．滑行位移应由刹车时的速度确定，因为刹车过程中，其加速度是相同的，根据v2－v02＝2ax，所以车速越大，其滑行位移越大，而与其惯性大小无关，所以C对D错．12.在做匀速直线运动的小车上水平放置一密闭的装有水的瓶子，瓶内有一气泡，如图所示，当小车突然停止运动时，气泡相对于瓶子怎样运动？【解析】首先确定本题应该用惯性知识来分析，但此题涉及的不仅仅是气泡，还有水，由于惯性的大小与质量有关，而水的质量远大于同体积气泡的质量，因此水的惯性远大于气泡的惯性，当小车突然停止时，水保持向前运动的趋势远大于气泡向前运动的趋势，当水相对于瓶子向前运动时，水将挤压气泡，使气泡相对于瓶子向后运动