1.知道伽利略的理想實驗及其推理過程。2.理解牛頓第一定律的內(nèi)容及意義。3.明確慣性的概念,會解釋與慣性有關(guān)的現(xiàn)象。
1.通過伽利略的斜面實驗,體會理想實驗這種科學(xué)探究方法。2.通過對牛頓第一定律及慣性的理解,形成物理觀念。3.通過對生活中一些現(xiàn)象的解釋,增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。
一、亞里士多德的運動理論與伽利略的研究工作1.亞里士多德的觀點運動分為自然運動和受迫運動。前者是說輕的物體向上運動,重的物體向下運動,這樣的運動無須外力的幫助,自身就能實現(xiàn);后者是說地面上的物體必須依靠外力的不斷作用才能使它們運動起來,外力一旦消失,運動也就停止了。2.伽利略的觀點在地面上所有運動物體之所以會停下來,都是因為摩擦的緣故。如果沒有任何阻力,物體就會永遠(yuǎn)運動下去,從而否定了亞里士多德關(guān)于運動和力的關(guān)系的錯誤認(rèn)識。
3.笛卡爾的貢獻(xiàn)與伽利略同時代的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家笛卡爾進(jìn)一步完善了伽利略的觀點,指出:不受其他物體作用時,原來運動的物體將會做勻速直線運動。
二、牛頓第一定律　慣性1.牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。2.慣性慣性:一切物體保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)。牛頓第一定律又叫作慣性定律。3.物體不受力的情況是不存在的,牛頓第一定律無任何現(xiàn)實意義,這種說法對嗎?提示:不對,牛頓第一定律說明了力與運動的關(guān)系。即力不是維持物體運動的原因,而是改變物體的運動狀態(tài)的原因。
三、質(zhì)量是慣性大小的量度1.理想化抽象:慣性定律是理想化抽象思維的產(chǎn)物,是無法直接用實驗嚴(yán)格驗證的。但它反映了自然界的規(guī)律和本質(zhì)。2.慣性的量度:質(zhì)量是物體慣性大小的量度。
【思考討論】 1.判斷下列說法的正誤。(1)伽利略的理想實驗說明力是維持物體運動的原因。(　　)(2)力不是維持物體運動的原因,而是使物體運動狀態(tài)改變的原因。(　　)(3)物體只有處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)時才有慣性。(　　)(4)物體運動速度越大,越難停下,其慣性越大。(　　)(5)力可以改變物體的運動狀態(tài),但無法改變物體的慣性大小。(　　)
2.我國道路交通安全法規(guī)定,在各種小型車輛前排乘坐的人必須系好安全帶。為什么要做這樣的規(guī)定?提示:緊急剎車時,車在摩擦力的作用下減速停住,而人由于慣性繼續(xù)向前運動,很可能離開座位撞在車窗玻璃上,造成嚴(yán)重的傷害,而安全帶可以起到很好的緩沖作用,可以減小對人的傷害。
運動員將標(biāo)槍從手中高速拋出,標(biāo)槍在空中飛行很遠(yuǎn)才落地(如圖所示)。有人認(rèn)為標(biāo)槍在空中向前飛行,是由于標(biāo)槍一直受到向前的力的作用。這種觀點與歷史上哪位著名科學(xué)家相同?這種觀點對嗎?
提示:亞里士多德。這種觀點不對。
1.歷史上對力與運動關(guān)系的重要觀點
2.理想斜面實驗(1)事實:如圖所示,AB、BC是兩個對接的斜面,讓小球從AB斜面上某高度處由靜止?jié)L下,小球?qū)L上BC斜面,所達(dá)到的高度略低于在AB上釋放時的高度。
(2)推理1:如果斜面光滑,小球?qū)⑸仙皆瓉磲尫艜r的高度。推理2:減小右側(cè)斜面的傾角(如BD、BE),小球在這個斜面上仍將達(dá)到同一高度,但這時它要運動得遠(yuǎn)些。推理3:繼續(xù)減小右側(cè)斜面的傾角,最后變成水平面(如BF),小球無法達(dá)到釋放時的高度,將以恒定的速率永遠(yuǎn)運動下去。(3)理想實驗推論:一切運動著的物體在沒有受到外力的時候,它的速度將保持不變,并且一直運動下去。
伽利略理想實驗以可靠的實驗事實為基礎(chǔ),經(jīng)過抽象思維,抓住主要因素,忽略次要因素,從而更深刻地揭示了自然規(guī)律。伽利略的研究方法的核心是把實驗和邏輯推理相結(jié)合。
【例題1】 理想實驗有時能更深刻地反映自然規(guī)律。伽利略設(shè)想了一個理想實驗,即如圖所示的斜面實驗,其實驗步驟中有一個是實驗事實,其余是推論。
①減小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面上仍然要達(dá)到原來的高度。②兩個對接的斜面,讓靜止的小球沿一個斜面滾下,小球?qū)L上另一個斜面。③如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉磲尫艜r的高度。④繼續(xù)減小第二個斜面的傾角,最后使它成一水平面,小球要沿水平面永遠(yuǎn)運動下去。
請將上述理想實驗的設(shè)想步驟按照正確的順序排列　　　　　　(只填寫序號即可)。?在上述的設(shè)想步驟中,有的屬于可靠的事實,有的則是理想化的推論。下列關(guān)于事實和推論的分類正確的是(　　)A.①是事實,②③④是推論B.②是事實,①③④是推論C.③是事實,①②④是推論D.④是事實,①②③是推論答案:②③①④　B解析:體會伽利略的理想實驗,可知排列順序為②③①④,分類正確的是選項B。
理想斜面是一種理想化模型,忽略了摩擦等次要因素,我們在第一章中遇到的質(zhì)點也是理想化模型,這是在研究物理問題的過程中經(jīng)常用到的一種科學(xué)思維方式。
【變式訓(xùn)練1】 (多選)理想實驗是科學(xué)研究中的一種重要方法,它把可靠的事實和合理的推論結(jié)合起來,可以深刻地揭示自然規(guī)律。關(guān)于伽利略的理想實驗,下列說法正確的是(　　)A.只要接觸面足夠光滑,物體在水平面上就能勻速運動下去B.這個實驗實際上是永遠(yuǎn)無法做到的C.利用氣墊導(dǎo)軌,就能使實驗成功D.雖然是想象中的實驗,但它是建立在可靠的實驗基礎(chǔ)上的答案:ABD解析:只要接觸面有摩擦力,物體就不會永遠(yuǎn)勻速運動下去,而實際的接觸面不可能達(dá)到理想狀態(tài)的光滑;伽利略的理想實驗是在可靠的事實基礎(chǔ)上的合理推理,故選項C錯誤,A、B、D正確。
(1)日常生活中,我們有這樣的經(jīng)驗:馬拉車,車就前進(jìn),停止用力,車就停下來,是否有力作用在物體上物體才能運動?馬不拉車時,車為什么會停下來?(2)如果沒有摩擦阻力,也不受其他任何力的作用,水平面上運動的物體的運動狀態(tài)會改變嗎?提示:(1)不是。因為受到阻力的作用。(2)如果沒有摩擦阻力,也不受其他任何力的作用,水平面上運動的物體將保持這個速度沿直線永遠(yuǎn)運動下去。
1.運動狀態(tài)改變即速度發(fā)生變化,有三種情況:(1)速度的方向不變,大小改變。(2)速度的大小不變,方向改變。(3)速度的大小和方向同時發(fā)生改變。
2.對牛頓第一定律的理解
【例題2】(多選)下列對牛頓第一定律的理解正確的是(　　)A.牛頓第一定律反映了物體不受外力作用時的運動規(guī)律B.不受外力作用時,物體的運動狀態(tài)保持不變C.在水平地面上滑動的木塊最終停下來,是沒有外力維持木塊運動的結(jié)果D.奔跑的運動員,由于遇到障礙而被絆倒,這是因為他受到外力作用迫使他改變原來的運動狀態(tài)答案:ABD
解析:牛頓第一定律描述的是物體不受外力作用時的運動規(guī)律,即總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)不變,選項A、B正確;牛頓第一定律還揭示了力和運動的關(guān)系,力是改變物體運動狀態(tài)的原因,而不是維持物體運動狀態(tài)的原因,在水平地面上滑動的木塊最終停下來,是由于摩擦力的作用而改變了運動狀態(tài),選項C錯誤;奔跑的運動員遇到障礙而被絆倒,是因為他受到外力作用而改變了運動狀態(tài),選項D正確。
【變式訓(xùn)練2】 關(guān)于物體運動狀態(tài)與所受外力的關(guān)系,下列說法正確的是(　　)A.物體受到的合力為零時,它一定處于靜止?fàn)顟B(tài)B.物體的運動方向一定與它所受的合力的方向相同C.物體受到恒定的力的作用時,它的運動狀態(tài)不發(fā)生改變D.物體受到不為零的合力作用時,它的運動狀態(tài)要發(fā)生改變答案:D解析:物體受到的合力為零時,它不一定處于靜止?fàn)顟B(tài),也可能處于勻速直線運動狀態(tài),故A錯誤;物體的運動方向不一定與它所受的合力的方向相同,還與物體的速度方向有關(guān),故B錯誤;物體受到恒力作用和不為零的合力作用時,受力不平衡,其運動狀態(tài)一定發(fā)生變化,故C錯誤,D正確。
(1)自行車比賽中,高速行進(jìn)的自行車受到障礙物阻礙,人會向哪個方向倒地?是什么原因造成的?(2)“同一物體在地球上的重力比在月球上大,所以物體在地球上的慣性比在月球上的大”,這種說法對嗎?為什么?提示:(1)向前。這是因為人具有慣性。(2)不對。慣性只與質(zhì)量大小有關(guān),與位置無關(guān)。雖然物體在地球上的重力比在月球上大,但物體的質(zhì)量不變,即慣性不變。
1.對慣性的理解(1)慣性是物體的固有屬性,任何物體在任何狀態(tài)下都有慣性。物體的慣性與物體的地理位置、運動狀態(tài)、受力情況無關(guān)。因此物體的慣性是不能被克服的。(2)慣性不是力,慣性是物體具有的保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì),力是物體對物體的作用,慣性和力是兩個不同的概念。(3)表現(xiàn)形式①在不受力的條件下,慣性表現(xiàn)出保持原來的運動狀態(tài)的性質(zhì),有“惰性”的意思。②在受力的條件下,慣性表現(xiàn)為運動狀態(tài)改變的難易程度,質(zhì)量越大、慣性越大,運動狀態(tài)越難改變。
2.慣性的量度質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度,質(zhì)量越大,慣性越大;質(zhì)量越小,慣性越小;質(zhì)量不變,慣性不變。
【例題3】 關(guān)于慣性在實際中的應(yīng)用,下列說法正確的是(　　)A.運動員在擲標(biāo)槍時助跑是為了減小慣性B.運動員在跳遠(yuǎn)時助跑是為了增大起跳時的慣性C.手扶拖拉機(jī)的飛輪做得很重,是為了減小它轉(zhuǎn)動的慣性D.各種機(jī)床和發(fā)電機(jī)的底座做得很笨重,并用螺絲固定在地面上,目的是增大慣性答案:D
解析:運動員在擲標(biāo)槍時助跑是為了利用慣性而使標(biāo)槍飛出,故A錯誤;慣性大小與速度無關(guān),只與質(zhì)量有關(guān),故B錯誤;質(zhì)量是慣性大小的唯一量度,質(zhì)量越大慣性越大,手扶拖拉機(jī)的飛輪做得很重,是為了增大它轉(zhuǎn)動的慣性,故C錯誤;各種機(jī)床和發(fā)電機(jī)的底座做得很笨重,并用螺絲固定在地面上,目的是增大慣性,故D正確。
利用慣性解釋現(xiàn)象的方法(1)明確研究的物體原來處于怎樣的運動狀態(tài)。(2)當(dāng)外力作用在該物體的某一部分(或外力作用在與該物體有關(guān)聯(lián)的其他物體上)時,這一部分的運動狀態(tài)的變化情況。(3)該物體由于慣性保持怎樣的運動狀態(tài),判斷最后會出現(xiàn)什么現(xiàn)象。
【變式訓(xùn)練3】 如圖所示,一個盛水的容器固定在一個小車上,在容器中分別用繩懸掛和拴住一只鐵球和一只乒乓球。容器中的水和鐵球、乒乓球都處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)容器隨小車突然向右運動時,兩球的運動狀況是(以小車為參考系)(　　)A.鐵球向左,乒乓球向右B.鐵球向右,乒乓球向左C.鐵球和乒乓球都向左D.鐵球和乒乓球都向右答案:A
解析:靜止的小車突然向右運動,由于與同體積的“水球”相比,鐵球質(zhì)量大、慣性大,鐵球的運動狀態(tài)難改變,即速度變化慢,而同體積的“水球”的運動狀態(tài)容易改變,即速度變化快,而且水和車一起向右加速運動,所以當(dāng)小車突然向右運動時,鐵球相對于小車向左運動。同理,由于乒乓球與同體積的“水球”相比,質(zhì)量小、慣性小,故乒乓球相對于小車向右運動。
1.(物理學(xué)史)(多選)關(guān)于古代先賢們對力與運動關(guān)系的探究史實,下列說法正確的是(　　)A.亞里士多德根據(jù)直接經(jīng)驗得出物體的運動需要有力來維持B.伽利略認(rèn)為在水平面上運動的物體之所以會停下來是由于受到摩擦力的作用C.笛卡爾認(rèn)為如果運動物體不受任何力的作用,它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動D.牛頓提出了慣性定律,用實驗直接驗證了不受力的物體會保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)答案:ABC
解析:亞里士多德根據(jù)現(xiàn)實經(jīng)驗得出,必須有力作用在物體上,物體才能運動,沒有力的作用,物體就要靜止在一個地方,故A正確;意大利物理學(xué)家伽利略指出,在水平面上運動的物體之所以會停下來,是受到摩擦阻力的緣故,故B正確;笛卡爾認(rèn)為如果運動中的物體沒有受到力的作用,它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動,既不停下來也不偏離原來的方向,故C正確;牛頓第一定律是利用邏輯思維對事實進(jìn)行分析的產(chǎn)物,不能用實驗直接驗證,故D錯誤。
2.(伽利略理想斜面實驗)伽利略創(chuàng)造的把實驗、假設(shè)和邏輯推理相結(jié)合的科學(xué)方法,有力地促進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識的發(fā)展。利用如圖所示的裝置做如下實驗:小球從左側(cè)斜面上的O點由靜止釋放后沿斜面向下運動,并沿右側(cè)斜面上升。斜面上先后鋪墊三種粗糙程度逐漸降低的材料時,小球沿右側(cè)斜面上升到的最高位置依次為1、2、3。根據(jù)三次實驗結(jié)果的對比,可以得到的最直接的結(jié)論是(　　)A.如果斜面絕對光滑,小球?qū)⑸仙脚cO點等高的位置B.如果小球不受力,它將一直保持勻速運動或靜止?fàn)顟B(tài)C.如果小球受到力的作用,它的運動狀態(tài)將發(fā)生改變D.小球受到的力一定時,質(zhì)量越大,它的加速度越小答案:A
解析:根據(jù)題意,鋪墊材料粗糙程度降低時,小球上升的最高位置升高,當(dāng)斜面絕對光滑時,小球在斜面上沒有能量損失,因此可以上升到與O點等高的位置,而B、C、D三個選項,從題目中不能直接得出,故選項A正確。
3.(牛頓第一定律)關(guān)于牛頓第一定律和慣性,下列說法正確的是(　　)A.牛頓第一定律是直接通過實驗得出的B.牛頓第一定律又叫慣性定律C.物體速度越大,慣性越大D.物體只在運動時才有慣性答案:B解析:牛頓第一定律是在實驗的基礎(chǔ)上,經(jīng)過分析實驗數(shù)據(jù)、加上科學(xué)推理得出的,故A錯誤;牛頓第一定律給出了慣性的概念,任何物體都要保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài),直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止,故B正確;慣性的大小與物體運動的速度無關(guān),與物體是否受力無關(guān),僅與質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度,故C、D錯誤。
4.(利用慣性解釋物理現(xiàn)象)對一些實際生活中的現(xiàn)象,某同學(xué)試圖從慣性角度加以解釋,其中正確的是(　　)A.采用大功率的發(fā)動機(jī)后,某些賽車的速度甚至能超過某些老式螺旋槳飛機(jī)的速度,這表明通過科學(xué)手段能使小質(zhì)量的物體獲得大的慣性B.射出槍膛的子彈在運動相當(dāng)長一段距離后連一件棉衣也穿不透,這表明它的慣性小了C.貨運列車運行到不同的車站時,經(jīng)常要摘下或加掛一些車廂,這會改變它的慣性D.摩托車轉(zhuǎn)彎時,車手一方面要控制適當(dāng)?shù)乃俣?另一方面要將身體稍微向里傾斜,通過調(diào)控人和車的慣性達(dá)到安全行駛的目的答案:C

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