25讲 牛顿第一定律、惯性、力与运动的关系、探究阻力对运动的影响（教师版） 2023年初中物理自主招生讲义68讲

第1 页/ 共44 页 初中物理自主招生讲义25 牛顿第一定律、惯性、力与运动的关系、探究阻力对运动的影响 一．牛顿第一定律的概念（共3 小题） 【知识点的认识】 （1）牛顿第一定律的内容：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线 运动状态． （2）由牛顿第一定律可知，物体的运动是不需要力来维持的即力不是维持物体运动的原 因，此外，要改变物体的运动状态，就必须对物体施加力的作用，即力是改变物体运动状 态的原因． （3）牛顿第一定律不是实验定律，而是通过分析实验，再进一步概括、推理得出的并经受 住了实践的检验． 【命题方向】 （1）根据牛顿第一定律出题：例如室里静止的吊灯当它不受任何外力时将保持的状态？ （2）与一对平衡力结合出题：一个物体在不受力或受平衡力原来物体的运动状态将会怎样 变？ 例1：小雨同学通过绳子拉着一石块在水平桌面上做匀速圆周运动，假设它受到的力全都 消失，则该石块将（ ） ．做匀速直线运动 B ．继续做匀速圆周运动 ．落到地面上 D．立即停止运动 分析：本题需要根据牛顿第一定律去分析，解答本题的关键就是要知道并理解牛顿第一定 律． 解：牛顿第一定律：一切物体在不受外力作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态． 石块做匀速圆周运动，它的运动方向不停的在改变，这是因为它一直在受到一个向心力的 作用，如果它受到的力全部消失，则就再也没有力能改变石块的运动方向和运动速度，所 以此时石块将做匀速直线运动．故选． 点评：此题主要考查学生对牛顿第一定律的理解和掌握，牛顿第一定律是力学的基本定律 之一． 例2：一个物体在一对平衡力的作用下，沿光滑水平面做匀速直线运动，当这对平衡力突 然消失，则物体将（ ） ．立即停止运动 B ．运动速度越来越快 第1 页/ 共44 页 ．速度减慢，最后停止 D．仍做匀速直线运动 分析：根据牛顿第一定律进行分析，即当物体受到的力突然消失，物体还会保持原来的运 动状态运动下去． 解：因为物体原来在一对平衡力的作用下做匀速直线运动，当平衡力突然消失后，物体在 水平方向不再受任何外来作用，根据牛顿第一定律可得，物体将保持原来的速度继续作匀 速直线运动．故选D． 点评：知道牛顿第一定律的内容，会根据牛顿第一定律分析问题解决问题． 【解题方法点拨】 应注意从以下四个方面理解牛顿第一定律： （1 “ ” ）一切是说定律对所有物体普遍适用． （2 “ ” ）没有受到力的作用是指定律成立的条件，包含两层意思：一是理想情况，即物体确 实没有受到任何外力作用；二是物体所受各力的合力为零． （3 “ ” ）总指的是总这样，没有例外． （4 “ ” ）或即两种状态居其一，不能同时存在．定律表明：物体不受力时，原来静止的物体 将永远保持静止状态，原来运动的物体将永远做匀速直线运动．考虑问题也应从这两方面 来考虑，首先判断物体原来的运动状态，然后再根据牛顿第一定律来解答． 一．牛顿第一定律的概念（共3 小题） 1．牛顿第一定律告诉我们：一切物体在 没有受到力的作用 时，总保持静止或匀速直线 运动状态。利用如图所示的实验装置，能否直接得到该定律？ 答： 否 。 答与解析：牛顿第一定律的内容为：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态 或匀速直线运动状态。 牛顿第一定律是在大量实验和事实的基础上，通过概括推理得出的，不能通过实验直接 得出。因此，图中的实验不能直接得到该定律。 第1 页/ 共44 页 故答为：没有受到力的作用；否。 2．在光滑的水平面上有一物体向右匀速运动，当它受到一个沿水平方向向右的力的作用 时，物体的速度将 增加 “ ”“ ” “ ” （填增加 减小或不变）；当撤去此力后，物体将作 匀速直线 “ ”“ ” “ ” 运动（填曲线 减速直线或匀速直线）。 答与解析：原来静止的物体如果合外力不为零，那么它将做加速运动。因此，当它受到 一个沿水平方向向右的力的作用时，物体的速度将增加； 当撤去此力后，物体的合外力为零，物体将做匀速直线运动。 故答为：增加；匀速直线。 3．牛顿曾研究过这样一个问题：他发现人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面，于是 “ ” “ ” 牛顿提出了一个大炮的设想，如图是他画的大炮草图﹣﹣在地球的一座高山上架起 一只水平大炮，以不同的速度将炮弹平射出去，射出速度越大，炮弹落地点就离山脚越 远。他推想：当射出速度足够大时，炮弹将会如何运动呢？牛顿通过科学的推理得出了 “ ” 一个重要的结论。这就是著名的牛顿大炮的故事，故事中牛顿实际也用到了理想实验 的研究方法。 （1 ）研究中牛顿基于的可靠事实是 人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面 。 （2 “ ” ）根据以上资料和牛顿的大炮草图，推测牛顿当年的重要结论是 抛出物体的速 度足够大时，物体将离开地球，绕地球旋转，做圆周运动 。 （3 ）如今，牛顿当年的推测已变成了现实，人们应用他的推论，利用现代科技制成了 人造地球卫星 。 答与解析：（1）研究中牛顿基于的可靠事实是：人掷出去的石头总会偏离掷出方向落 回地面； （2）由实验现象知，这是重力作用的效果，是石头的重力去改变石头运动方向，他从 石头落回地面的距离不同，分析预测用相同的力去改变同一物体运动方向时，运动速度 越大，物体的运动方向越不易改变，即物体的运动方向改变较小，会落回离掷出点更远 第1 页/ 共44 页 的地方。所以牛顿设想：在地球的一座高山上架起一只水平大炮，以不同的速度将炮弹 平射出去，射出速度越大，炮弹落地点就离山脚越远。于是牛顿通过科学的推理得出了 一个重要的结论：抛出物体的速度足够大时，物体将离开地球，绕地球旋转，做圆周运 动； （3）现在随着现代科技的发展，人们应用他的推论，制成了人造地球卫星。 故答为：（1）人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面； （2）抛出物体的速度足够大时，物体将离开地球，绕地球旋转，做圆周运动； （3）人造地球卫星。 二．探究阻力对物体运动的影响（共4 小题） 【知识点的认识】 设计实验：取一辆小车，使它三次都在斜面上的同一高度处从静止开始沿斜面运动到水平 面上．每次水平面表面的粗糙程度都不同，第一次在水平面上铺毛巾，第二次换成棉布， 第三次去掉所铺棉布，比较小车每次在水平面上的运动情况有什么不同． 实验现象：按以上设计进行实验，实验现象如图所示，并将实验的结果填在下表中． 接触面 小车受到阻力的大小 小车运动的距离 毛巾 最大 最短 棉布 较大 较短 木板 最小 最长 现象分析：小车分别滑过毛巾、棉布、木板表面时，由于毛巾表面最粗糙，阻力最大，使 小车很快就停下来，运动的距离最短；而木板表面最光滑，阻力最小，小车运动的距离最 长．通过小车在不同表面运动的距离不同，说明小车受到的阻力越小，速度改变越慢，小 车越不容易停下来． 实验结论：平面越光滑，小车运动的距离越大，这说明小车受到的阻力越小，速度减小得 越慢． 实验推理：如果水平面表面绝对光滑，小车受到的阻力为0，速度不会减小，小车将以恒 定不变的速度运动下去． 【命题方向】 第1 页/ 共44 页 本实验探究的问题，实验探究过程中用到的物理学方法：控制变量法、推理法等是命题方 向． “ ” 典例：在探究力对物体运动的影响的实验中，在水平桌面上分别铺上分别粗糙程度不同 的毛巾、棉布、玻璃，让小车自斜面顶端从静止开始滑下，小车从同一高度滑下后，在不 同物体表面上运动的距离如图所示． （1 ）实验时小车每次都从斜面顶端滚下，是为了让小车在这些物体表面开始运动的 速 度 相同． （2 ）由图示可知，小车在玻璃上运动的距离最 远 ，这说明小车受到的阻力越 小 ，速度减小得越慢． （3）根据这个实验推理：若水平物体表面绝对光滑（即小车不受任何阻力作用），那么小 车将一直保持 匀速直线运动状态 ． 分析：实验中要求从同一点滑下，是为了保证小车到达水平面时有相同的速度，从而看出 在不同材料上的滑行的距离．而这三种材料我们非常熟悉，从而比较出受阻力的不同，然 后我们可以猜想如果没有任何阻力的话，物体的速度将不会改变 解：我们让小车从顶端滚下目地是为了让小球每次到达水平面时的速度都相同，便于比 较． 而明显由图示看出，在玻璃板上小车滑行的距离是最远的，我们知道在玻璃板上小车受阻 力最小； 速度减小的慢，所以我们想到如果没有阻力的话小车将会滑行将会一直进行下去，做匀速 直线运动． 故答为：（1）速度；（2）远、小；（3）匀速直线运动状态． 点评：本题考查理想实验内容，解此类问题一定要注意思考实验的意义． 【解题方法点拨】 阻力对物体运动影响的探究实验要明白： （1）小车从斜面上滑下后，为什么最终会在水平面上停下 （2）如果水平面铺的材料不同，小车在平面上减小的速度一样吗？ （3）用所给器材，怎样验证你的想法 （4）在实验中我们应该注意什么样的问题． 第1 页/ 共44 页 二．探究阻力对物体运动的影响（共4 小题） 4 ” ．如图为某同探究牛顿第一定律的实验装置。实验中该同学先后三次将同一木块放在同 一斜面上的同一高度，然后分别用不同的力推了一下木块，使其沿斜面向下运动，逐渐 减小水平面的粗糙程度，观察木块运动的距离，从而得出力和运动的关系。 （1）该同学在实验操作中有一处明显的错误是（不要求解释错误的原因）： 分别用 不同的力推了一下木块 。 （2）更正错误后进行实验，从实验中观察到，随着摩擦力的逐渐减小，木块在水平面 上运动的距离逐渐 变长 ，运动的时间越来越 长 ，但由于实验中摩擦力 不可能 为零 ，所以不可能观察到木块在水平面上做匀速运动的情形。 （3）在上述实验观察分析的基础上，可以推测：如果摩擦力减小为零，水平面足够 长，那木块在水平面上的速度既不减小，也不增加，运动方向也不发生变化，木块将 做匀速直线运动 。 答与解析：（1）木块运动的距离长短不仅与木块受到的摩擦力有关，还与物体的初始 速度有关，因此在研究摩擦力对其运动距离的影响时，要控制木块的速度相同，即要用 到控制变量法。由于用不同的力推木块，导致了木块的初始速度不同。故这种操作是错 误的。 （2）随着接触面的改变，发现接触面越来越光滑，摩擦力越来越小，木块运动的距离 会越来越长，运动的时间也越来越长。物体由于在运动过程中，受到的摩擦力不可能为 零，故不能保持平衡状态，所以不会出现木块做匀速直线运动的现象。 （3）根据匀速直线运动的定义可知：当物体的速度不变，经过的路线是直线的运动即 为匀速直线运动。 第1 页/ 共44 页 故答为：（1）分别用不同的力推了一下木块；（2）变长；长；不可能为零；（3）做 匀速直线运动。 5．在探究阻力对物体运动的影响时： （1）如图所示让同一小车从同一个斜面的同一高度由静止释放，目的是 小车到达水 平面时的速度相同 。由图可知，小车受到的阻力越小，小车运动的路程越 远 。如 果小车在绝对光滑的水平面上运动，小车将 做匀速直线运动 。 （2）研究力与运动的关系时，为什么设计探究阻力对物体运动的影响，而不设计探究 推力对物体运动的影响，理由是 同一接触面摩擦力一定，容易探究摩擦力对物体的影 响，而推力，不易控制其大小且不便于测量推力的大小 。 （3）在体现阻力对物体运动影响大小的方法上，小明提出了另外一个方法：测量小车 在水平面上运动的时间。你支持如下哪个观念。 B 。 这个方法不可行，与阻力对物体运动影响的大小没有关联 B 这个方法可行，但没有小车运动的路程便于测量 两个方法都是一样的，随便测哪个 答与解析：（1）让小车从同一个斜面的同一高度静止释放，目的是使小车在水平轨道 上有相同的速度；由图可知，小车受到的阻力越小，运动的路程越远，如果小车在绝对 光滑的水平面上，小车将做匀速直线运动； （2 ）设计探究阻力对物体运动的影响，而不设计探究推力对物体运动的影响，是因为 物体的运动不需要力来维持，不受力的物体也可以做匀速直线运动；力是改变物体运动 状态的原因；如果设计探究推力对物体运动状态的影响，由于物体在推力的作用下运动 时，也要受到摩擦阻力的作用，会使实验过程更复杂而不易操控； （3）在体现阻力对物体运动影响大小的方法上，让小车从同一斜面的同一高度由静止 滑下，小车到达斜面底端的速度相同，水平面越光滑，阻力越小，速度减小的越慢，行 驶的距离越长，行驶的时间越长，故测量小车在水平面上运动的时间可以体现阻力对物 体运动影响的大小，但不如小车运动的路程便于测量，故B 正确。 故答为：（1）小车到达水平面时的速度相同；远；做匀速直线运动；（2）同一接触面 摩擦力一定，容易探究摩擦力对物体的影响，而推力，不易控制其大小且不便于测量推 第1 页/ 共44 页 力的大小；（3）B。 6 “ ” ．刘亮同学为了探究阻力对物体运动的影响实验中，设计了如图所示的斜面实验 （1）为了使小车在滑到水平面时寸的初速度相同，在实验中刘亮让小车从同一斜面的 同一高度由静止开始滑下，他采用的研究问题的方法是 控制变量法 （2）从甲、乙、丙三次实验小车所停位置情况看， 丙 图中小车所受阻力最小 （3）刘亮同学从实验推理可知，若水平面绝对光滑，则运动的小车会在水平面上做 匀 速 直 线 运 动 。 答与解析：（1）用控制变量法，让小车从同一斜面、同一高度由静止开始滑下，这样 小车在进入平面时的运动速度相同； （2）表面越光滑，阻力就越小，小车运动的距离就越长，从甲、乙、丙三次实验小车 所停位置情况看，丙图中小车所受阻力最小； （3 ）如果表面绝对光滑，物体受到的阻力为0，速度不会改变，将以恒定不变的速度 永远运动下去。 故答为：（1）控制变量法；（2）丙；（3）匀速直线。 7．小宇发现高速公路旁有如图所示的限速标志，小宇猜想：在相同情况下，大车质量大惯 性大，要停下来所行驶的距离比小车要长。为此，他设计了如图所示的装置及以下的探 究方： ①让一个小木盒从光滑斜面上某位置由静止滑下，测出它在水平面滑行的距离s1； ②给小木盒里添加适当的砝码，并让小木盒从斜面同一高度由静止自由滑下，测出它在 水平面滑行的距离s1； ③再继续增加砝码数量，重复步骤②； ④比较各次小木盒水平滑行距离S 的大小，归纳出结论。 第1 页/ 共44 页 对于上述探究方，请你回答： （1）让小木盒从斜面同一高度下滑的目的 是使小木盒在水平面上运动的初始速度相 同 。 （2）小木盒在水平面上滑行过程中机械能转化成了 内 能。 （3）实验结果发现，改变小木盒内砝码个数，重复上述实验过程，测得它在水平面滑 行的距离都相等，这与小宇猜想不符。小宇查资料发现，物体的动能 ，滑动 摩擦力Ff＝μF （F 为物体与接触面的正压力，μ 为一常数，跟接触面粗糙程度有关）。 根据已学知识和查得资料试分析原因： 小木盒受到的摩擦力增大，小木盒克服摩擦做 功增大 。 答与解析： （1）使小木盒从同一高度由静止滑下，小木盒到达斜面底端的速度就相同，控制了速 度这一因素； （2）小木盒在水平面上运动的过程中克服摩擦力做功，机械能转化成了内能。 （3）增加小木盒内砝码个数，小木盒的质量增加，根据物体的动能公式 可 知，小木盒的动能增加，同时小木盒对水平面的压力增加，根据滑动摩擦力公式Ff＝ μF 可知，小木盒受到的摩擦力增大，小木盒克服摩擦做功增大，因此滑行距离不变。 故答为：（1）是使小木盒在水平面上运动的初始速度相同；（2）内；（3）小木盒受 到的摩擦力增大，小木盒克服摩擦做功增大。 三．惯性与惯性现象（共20 小题） 【知识点的认识】 （1）惯性是一切物体的固有属性，无论是固体、液体或气体，无论物体是运动还是静止， 都具有惯性．一切物体都具有惯性． （2）惯性定义：我们把物体保持运动状态不变的属性叫做惯性．惯性代表了物体运动状态 改变的难易程度．惯性的大小只与物体的质量有关．质量大的物体运动状态相对难于改 变，也就是惯性大；质量小的物体运动状态相对容易改变，也就是惯性小． （3）当你踢到球时，球就开始运动，这时，因为这个球自身具有惯性，它将不停的滚动， 第1 页/ 共44 页 直到被外力所制止．任何物体在任何时候都是有惯性的，它要保持原有的运动状态． （4）惯性的应用与防止：在日常生活中惯性现象对我们既有有益的一面，又有有害的一 面．有益的要加以利用，例如利用惯性使锤头套紧；有害的要加以防止，例如汽车不能超 速超载． 【命题方向】 命题方向有以下方面：（1）惯性的认识；（2）影响惯性的因素；（3）惯性的应用与防 止． 例1 ：下列说法中正确的是（ ） ．物体运动的速度越大，它受到的动力越大，惯性也越大 B．骑自行车的人上坡前加紧蹬几下，这是为了增大惯性 ．足球越滚越慢，是因为受到了球场对它施加的力的作用 D．若运动的物体不受任何力的作用，它的速度将慢慢变小，最终停下来 分析：根据：惯性的知识及力的作用效果分析解答此题． 解：、物体的惯性取决于物体的质量，与物体速度无关，故错误． B、骑自行车的人上坡前加紧蹬几下，是为了获得更大的速度，自行车惯性不变，故B 错 误． 、足球越滚越慢，是因为受到了球场对它施加的阻力作用，阻力改变了足球的运动状态， 使它停下来，故正确． D、若运动的物体不受任何力的作用，则物体由于惯性要继续运动下去，不会停止，故D 错误．故选． 点评：本题考查了：物体的惯性、力的作用效果．应记住：惯性是物体的固有属性，取决 于物体的质量，与物体的运动状态及受力情况无关；力的作用效果有：使物体发生形变； 改变物体的运动状态． 例2：由于不遵守交通法规酿成的交通事故频繁发生，国家加大了对违反交通法规的处罚 力度．关于汽车安全行驶的规定和措施，下列说法正确的是（ ） ．限制汽车最大行驶速度，是为了减小汽车的惯性 B．安全带主要是在汽车突然启动时对驾乘人员起到保护作用 ．冬天汽车在冰雪路面上行驶时，轮胎上装防滑链，是为了减小摩擦 D．严禁酒后驾车．主要是因为饮酒后驾驶员反应迟钝，更容易出现交通事故 分析：（1）惯性是物体的固有属性，其大小只取决于物体的质量； （2）安全带是为了防止在紧急刹车时人会前冲而带来的伤害； 第1 页/ 共44 页 （3）冰雪天因为路面结冰，而使摩擦力减小，故为了增大摩擦可以在轮胎上装防滑链； （4）汽车的刹车距离取决于汽车的运行速度及人的反应时间，而酒后人的反应时间增长， 故可以分析为什么不能酒后驾驭． 解：、惯性是物体的固有属性，惯性大小与速度大小无关；限制速度的目的是为了减小刹 车距离，故错误； B