自主探究（一）　理想实验的魅力

伽利略理想斜面实验如图所示，小球沿斜面由静止滚下，再滚上另一斜面。

(1)在实际生活中，小球滚上另一斜面的最大高度等于h吗？

(2)设想斜面是光滑的，小球滚上另一斜面的最大高度等于h吗？

(3)设想斜面是光滑的，若减小第二个斜面的倾角，小球还能滚到另一斜面高h处吗？与没减小斜面的倾角之前相比，小球滚到另一斜面高h处通过的路程如何变化？

(4)设想第二个斜面变成水平面，这时小球试图滚上另一斜面的相同高度，但永远达不到。这时小球的运动能停下来吗？

【提示】

(1)不等。滚上另一斜面的最大高度小于h。

(2)等于h。

(3)能，通过的路程变大。

(4)不能，永远运动下去。

❶亚里士多德：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在某个地方。

❷伽利略

(1)理想实验：让小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一斜面。如果没有摩擦，小球将到达原来的高度；如果第二个斜面倾角减小，小球仍将达到原来的高度，但是运动的距离更长；由此可以推断，当斜面最终变为水平面时，小球要达到原有高度将永远运动下去。

(2)结论：力不是维持物体运动的原因。

❸笛卡儿：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，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

1.理想实验的推论：一切运动着的物体在没有受外力的时候，它的速度将保持不变，并且一直运动下去。

2.理想实验的意义：伽利略理想实验是以可靠的实验事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地揭示了自然规律。伽利略的研究方法的核心是把实验和逻辑推理相结合。

【例1】 伽利略对“运动和力的关系”和“自由落体运动”的研究，开创了科学实验和逻辑推理相结合的重要科学研究方法。图1、图2分别表示这两项研究中实验和逻辑推理的过程，对这两项研究，下列说法正确的是(　　)

A.图1中完全没有摩擦阻力的斜面是实际存在的，实验可实际完成

B.图1的实验为“理想实验”，通过逻辑推理得出物体的运动需要力来维持

C.图2通过对自由落体运动的研究，合理外推得出小球在斜面上做匀变速运动

D.图2中先在倾角较小的斜面上进行实验，可“冲淡”重力，使时间测量更容易

【答案】　D

【解析】　完全没有摩擦阻力的斜面实际上是不存在的，故实验不可能实际完成，故A错误；图1的实验为“理想实验”，通过逻辑推理得出物体的运动不需要力来维持，故B错误；伽利略设想物体下落的速度与时间成正比，因为当时无法测量物体的瞬时速度，所以伽利略通过数学推导证明如果速度与时间成正比，那么位移与时间的平方成正比；由于当时用滴水法计算，无法记录自由落体的较短时间，伽利略设计了让铜球沿阻力很小的斜面滚下，来“冲淡”重力的作用效果，而小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多，所用时间长得多，所以容易测量。伽利略做了上百次实验，并通过抽象思维在实验结果上做了合理外推，故C错误，D正确。

【训练1】 (2022·太原市模拟)伽利略的斜面实验证明了(　　)

A.使物体运动必须有力的作用，没有力的作用，物体将静止

B.使物体静止必须有力的作用，没有力的作用，物体将运动

C.物体不受外力作用时，一定处于静止状态

D.物体的运动不需要力来维持

【答案】　D

自主探究（二）　牛顿第一定律

如图所示，让一个小车从同一斜面上滑下，水平面上分别放置毛巾、木板和玻璃板，水平面与斜面平滑连接。仔细观察实验现象。

(1)实验观察到什么现象，说明了什么问题？

(2)如果没有摩擦力的作用，小车将会怎样运动呢？

(3)以上实验揭示了力和运动之间是什么关系？

提示　(1)水平面越光滑，小车滑动的距离越远。说明摩擦力是阻碍物体运动的原因。

(2)如果没有摩擦力的作用，小车将永远运动下去。

(3)力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。

❶内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

❷意义：揭示了运动和力的关系，即力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。

❸惯性：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性。牛顿第一定律也被叫作惯性定律。

1.物体运动状态改变的三种情况

(1)速度的方向不变，大小改变。

(2)速度的大小不变，方向改变。

(3)速度的大小和方向同时改变。

2.对牛顿第一定律的理解

(1)力是改变物体运动状态的原因，物体受到力的作用，它的运动状态就一定改变，故力是改变物体运动状态的原因。

(2)物体不受外力时，保持匀速直线运动状态或静止状态。

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

(4)牛顿第一定律描述的状态是一种理想状态，它是在伽利略理想实验的基础上加以科学推理和抽象得到的，不可能用实验直接验证，因此牛顿第一定律不是实验定律。

(5)牛顿第一定律的适用范围为惯性参考系。

【例2】下列对牛顿第一定律的理解不正确的是(　　)

A.牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时的运动规律

B.不受外力作用时，物体的运动状态保持不变

C.在水平地面上滑动的木块最终停下来，是没有外力维持木块运动的结果

D.奔跑的运动员，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

【答案】　C

【解析】　牛顿第一定律描述的是物体不受外力作用时的运动规律，总保持匀速直线运动状态或静止状态，A、B正确；牛顿第一定律还揭示了力和运动的关系，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。在水平地面上滑动的木块最终停下来，是由于摩擦力的作用改变了其运动状态；奔跑的运动员，遇到障碍而被绊倒，是因为他受到外力作用而改变了运动状态，C错误，D正确。

【训练2】 关于牛顿第一定律，下列说法正确的是(　　)

A.牛顿第一定律是依靠实验事实，直接归纳总结得出的

B.根据牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因

C.根据牛顿第一定律可知，力是维持物体运动的原因

D.牛顿第一定律反映了物体受到外力时的运动规律

【答案】　B

【解析】　牛顿第一定律是牛顿在伽利略等前人实验的基础上，根据逻辑推理得出的，故A错误；根据牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动的原因，故B正确，C错误；由牛顿第一定律可知，物体在不受力的作用时保持静止状态或匀速直线运动状态，所以牛顿第一定律反映了物体不受外力时的运动规律，故D错误。

自主探究（三）　惯性与质量

　

(1)如图甲所示，公交车突然快速启动时，车上站着的乘客身体为什么会向后倾倒？

(2)如图乙所示，公交车在运行时突然急刹车，车内乘客身体为什么会向前倾倒？

提示　(1)当公交车突然快速启动时，乘客的鞋底受到车的摩擦力作用也随车运动，而身体由于要保持原来的静止状态，故向后倾倒。

(2)乘客随车一起运动，当急刹车时，车停止运动，乘客的鞋底受到车的摩擦力作用也随车停止运动，而身体由于要保持原来的运动状态，故向前倾倒。

　物体惯性大小仅与质量有关，质量是物体惯性大小的唯一量度，惯性大小与物体是否运动、运动快慢等因素均无关。

【思考】 (1)战斗机在投入战斗时有时要抛掉副油箱，这是为什么？

(2)汽车超载时遇到紧急刹车不容易停下来，为什么？

提示　(1)减小战斗机的质量以减小惯性，使战斗机有较好的机动性。

(2)质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。

1.惯性的“三性”

2.惯性的表现形式

(1)当物体不受外力或所受合外力为零时，惯性表现为保持原来的运动状态不变。原来静止的物体保持静止，原来运动的物体保持原来的速度继续运动。

(2)当物体受到外力作用时，惯性表现为改变运动状态的难易程度，物体的惯性越大，它的运动状态越难改变。

【例3】 关于物体的惯性，下列说法中正确的是(　　)

A.骑自行车的人，上坡前要紧蹬几下，是为了增大惯性冲上坡

B.子弹从枪膛中射出后，在空中飞行速度逐渐减小，因此惯性也减小

C.物体惯性的大小由物体质量大小决定

D.物体由静止开始运动的瞬间，它的惯性最大

【答案】　C

【解析】　骑自行车的人，上坡前要紧蹬几下是为了增大人和自行车整体的速度，惯性是物体的固有属性，只与物体本身质量有关，与物体的运动状态和受力情况无关，故A、B、D项错误，C项正确。

【训练3】 (2022·新疆乌苏市第一中学阶段检测)下列关于物体惯性的说法正确的是(　　)

A.汽车速度越大，刹车后越难停下来，表明物体的速度越大，其惯性越大

B.汽车转弯后前进方向发生了改变，表明物体速度方向改变，其惯性也随之改变

C.被抛出的小球，尽管速度的大小和方向都改变了，但惯性不变

D.汽车比火车更容易停下来是因为质量小的物体惯性大

【答案】　C

【解析】　物体的惯性只与物体的质量有关，与速度无关，选项A错误；汽车转弯后前进方向发生了改变，表明物体速度方向改变，但是质量不变，则惯性不变，选项B错误；被抛出的小球，尽管速度的大小和方向都改变了，但由于小球的质量不变，则惯性不变，选项C正确；汽车比火车更容易停下来是因为质量小的物体惯性小，选项D错误。

1．物体运动状态的变化

物体运动状态的变化指的就是速度的变化，分以下三种情景：

(1)速度的方向不变，大小变化。

(2)速度的大小不变，方向变化。

(3)速度的大小和方向都发生变化。

2．对牛顿第一定律的理解

(1)揭示了力和运动的关系：

①力是改变物体运动状态的原因(或者说力是使物体产生加速度的原因)，而不是维持物体运动状态的原因。

②物体不受外力时的运动状态：匀速直线运动状态或静止状态。

(2)揭示了一切物体都具有惯性，因此牛顿第一定律也叫惯性定律。

[特别提醒]　牛顿第一定律是“经验定律”，无法用实验验证。

3．对惯性的理解

(1)质量是惯性大小的唯一量度。质量越大，惯性越大；反之则越小。

(2)惯性大小与物体运动状态(速度)、受力情况以及所处地理位置均无关。

(3)惯性的表现

不受力时，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态。

受力时，惯性表现为运动状态改变的难易程度。质量越大，惯性越大，运动状态越难以改变。

1.(伽利略理想斜面实验)如图所示，为现代人在实验室所做的伽利略斜面实验的频闪照片的组合图。实验中把小球从左侧斜面的某个位置由静止释放，它将冲上右侧斜面，频闪照片显示小球在右侧斜面运动过程中相邻的两个小球间的距离依次减小；如果右侧斜面变成水平，频闪照片显示小球在右侧斜面运动过程中相邻的两小球间的距离几乎相等。对于这个实验，以下叙述正确的是(　　)

A.小球冲上右侧斜面后做减速运动，表明“力是维持物体运动的原因”的结论是正确的

B.小球最终也会在右侧水平面上停下来，表明“力是维持物体运动的原因”的结论是正确的

C.因为没有绝对光滑的斜面或者平面，所以伽利略提出的“如果没有摩擦阻力，小球将在水平面上永远运动下去”的结论是荒谬可笑的

D.上述实验表明“如果没有摩擦阻力，小球将在水平面上永远运动下去”的结论是正确的

答案　D

解析　小球冲上右侧斜面后做减速运动，表明“力是维持物体运动的原因”的结论的是错误的，故A错误；小球最终也会在右侧水平面上停下来，是由于受到摩擦力作用的原因，故B错误；因为没有绝对光滑的斜面或者平面，所以伽利略提出的“如果没有摩擦阻力，小球将在水平面上永远运动下去”的结论是一种理想的推论，但是却有非常重要的现实意义，它开创了物理量研究的新的方法，故C错误；上述实验表明“如果没有摩擦阻力，小球将在水平面上永远运动下去”的结论是正确的，故D正确。

2.(牛顿第一定律的理解)根据牛顿第一定律可知，下列说法正确的是(　　)

A.静止的物体一定不受其他物体的作用

B.物体受力才会运动，当外力停止作用后，物体会慢慢停下来

C.物体不受力的作用，运动状态也能改变

D.物体运动状态发生变化，一定受到外力作用

答案　D

解析　静止的物体可能不受其他物体的作用或受到平衡力的作用，故A错误；力是改变物体运动状态的原因，运动中的物体不受力时，仍会保持原来的运动状态，故B错误；由牛顿第一定律可知，物体不受力的作用时，其运动状态一定不会改变，故C错误；力是改变物体运动状态的原因，物体运动状态发生改变时一定受到力的作用，故D正确。

3.(惯性与质量)下列说法正确的是(　　)

A.运动速度大的物体，不能很快停下来，是因为速度大时，惯性也大

B.静止的火车启动时，速度变化慢，是因为火车静止时比运动时惯性大

C.乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球的惯性小

D.物体受到的外力大，则惯性就小；受到的外力小，则惯性就大

答案　C

解析　一切物体都具有惯性，惯性大小仅由物体的质量决定，与外界因素(受力与否、受力的大小与个数、运动状态以及所处环境)无关，故D错误；运动速度大的物体变为静止，速度的改变量大，加速度一定时，需要较长的时间，并非速度大，惯性就大，故A错误；静止的火车启动时，速度变化缓慢，是因为火车质量大，惯性大，与火车静止还是运动无关，故B错误；乒乓球可以快速抽杀，是因为其质量很小，惯性小，运动状态容易改变，故C正确。

4.(惯性的应用)在水平路面上有一辆匀速行驶的小车，小车上固定着盛满水的碗。若突然发现碗中的水向右洒出，如图所示，则关于小车在此种情况下的运动，下列描述正确的是(　　)

A.小车匀速向左运动

B.小车可能突然向左加速运动

C.小车可能突然向左减速运动

D.小车可能突然向右加速运动

答案　B

解析　若小车匀速向左运动，小车、碗、水速度相同且不变，三者无相对运动，水不会洒出，选项A错误；若小车原来向左匀速运动，突然开始向左加速运动，碗随小车开始向左加速，碗中水由于惯性仍保持原来的匀速运动状态，水相对于碗向右运动，水向右洒出，选项B正确；若小车突然向左减速运动，碗随小车一起开始向左减速，水由于惯性，仍保持向左的匀速运动状态，水相对于碗向左运动，水向左洒出，选项C错误；若小车原来向右匀速运动，突然向右加速运动，碗随小车开始向右加速，水由于惯性仍要保持向左的匀速运动状态，水相对于碗向左运动，水将向左洒出，选项D错误。