第 5 章 第 5 节 牛顿第一定律

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牛顿第一定律

(a)运动的滑板车
(b)运动的手推车
图 5–5–2  生活中的运动

图 5–5–1 是用频闪摄影记录的高尔夫球杆将球击出后球与杆的运动影像。球受到球杆的击打时,由静止变为运动。球与球杆分离后,虽然不再受到球杆的作用,但球为什么还会继续向前运动而不是立刻停下呢?

物体的运动需要力来维持吗?

如图 5–5–2(a)(b)所示,要使滑板车加速向前需用力蹬地,否则滑板车就会慢慢停下;装有轮子的手推车可以被轻松地推动,松手后手推车会慢慢停下。生活中有许多类似的现象,使静止的物体运动,要对物体施加力的作用,而一旦停止施力,运动的物体就会逐渐停止运动。

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图 5–5–3  小车在不同材质的水平面上滑行

如图 5–5–3 所示,小车从同一斜面上的同一位置由静止沿斜面下滑至水平面。更换水平面的材质,重复上述实验,比较小车在不同材质的水平面上滑行的距离。

 

 

上述实验中,小车在水平面滑行的距离与小车受到的摩擦力有关。水平面越光滑,小车在水平面上滑行时所受的摩擦力越小,滑行距离也越长。假设水平面是光滑的,小车不受摩擦力,它会保持刚进入水平面时的速度大小和方向一直运动下去,做匀速直线运动。可见,物体的运动并不需要力来维持。

 

人类很早就开始研究运动与力的关系。2 000 多年前,古希腊哲学家亚里士多德认为,只有不断用力才能维持物体的运动,所以力是维持物体运动的原因。直到 17 世纪,人们还认为这个观点是正确的。

如图 5–5–4 所示,意大利物理学家伽利略设想小球从一个光滑斜面上 A处由静止滑下并滑上第二个光滑斜面,小球应当能到达与A等高的 B处。若逐渐减小右边斜面的坡度,小球在到达与 A 等高处之前滑行的距离越来越长。若将右边斜面放平,根据上述推理,小球因无法到达与 A处等高的位置,将在光滑的水平面上一直滑下去,永远不会停下来。

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由此,伽利略否定了亚里士多德的说法。

伽利略创造性地将实验与推理相结合是人类科学史上的重要里程碑。伽利略的发现以及他所开创的科学方法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。

图 5–5–4  伽利略斜面理想实验
图 5–5–5  牛顿

牛顿(I. Newton,1643—1727)(图 5–5–5)在伽利略等人的研究基础上,得出一条重要的规律:

 

一切物体总保持原来的静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种运动状态为止。这就是牛顿第一定律(Newton’s first law)。

 

牛顿第一定律明确指出当物体不受力作用时,总保持原来的静止或匀速直线运动状态不变,否定了力是维持物体运动的原因。牛顿第一定律是在大量事实的基础上,通过推理、抽象概括出来的。

当然,“物体不受力”是一种理想状态,在现实生活中这种理想状态不存在。图 5–5–1 中被球杆击出的高尔夫球,虽然做近似的匀速直线运动,但它在水平方向上仍受到一定的阻力,所

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图 5–5–6  汽车碰撞测试

以最终一定会停下。事实上,物体总是受到力的作用,比如在地球表面附近的一切物体都受到重力的作用,但只要物体所受合力为零,物体就能保持静止或匀速直线运动状态。

什么是惯性?

由牛顿第一定律可知,物体不受力时,原来静止的物体,保持静止状态;原来运动的物体,保持原来的速度做匀速直线运动。物理学中把物体保持原来运动状态不变的性质叫做惯性(inertia)。乘车时,若汽车突然启动,乘客身体却还保持原来静止的状态,会相对于车后仰;反之,若汽车突然刹车,乘客身体仍保持原来运动的状态,会相对于车前倾。这是物体具有惯性的表现。一切物体都具有惯性,惯性是物体本身固有的一种属性。

高速行驶的汽车,一旦紧急刹车或碰撞,车身突然减速,而驾驶员身体由于惯性会继续向前运动。如果没有安全带的保护,驾驶员会撞上方向盘、挡风玻璃等物体,甚至会冲出车外造成严重伤害。如图5–5–6所示,在汽车碰撞测试中,汽车如果突然撞到了障碍物,安全带能防止驾驶员身体的高速前冲,减少驾驶员身体受到的伤害。

日常生活中有许多与惯性相关的现象。停止蹬地后,滑板车能够继续滑行;跳远运动员快速助跑后,飞身一跃,身体会在空中继续前进;拍打身上的灰尘、抖落伞上的雨滴也是利用了灰尘和水滴的惯性。

 

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图 5–5–7

1.如图 5–5–7 所示,运动员正跳起投篮。投出的篮球会在空中继续运动,是因为篮球__________,最终篮球会因受到重力作用落地。如果没有重力的作用,投出的篮球会沿着__________(选填“①”“②”或“③”)号轨迹运动。

2.图 5–5–8 所示的事例中,属于防止惯性造成危害的是(     )。

A.跳远运动员助跑后起跳
B.抖落掸子上的灰尘
C.汽车座椅上的头枕
D.北极熊甩去身上的水
图 5–5–8

3.下列关于惯性的说法中,正确的是(    )。

A.人走路时没有惯性,跑步时才有惯性

B.跑步比赛到终点时运动员不能立刻停下是由于惯性,停下后

惯性消失

C.静止的足球和运动的足球都具有惯性

D.航天员将一个苹果带入空间站,苹果的惯性会消失

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4.如图 5–5–9(a)所示,木块与小车一起做匀速直线运动。小车在力的作用下改变了运动状态,使木块向右倾倒,如图 5–5–9(b)所示。

(1)分析小车此时的运动情况和木块向右倾倒的原因。

(2)当卡车运输如图 5–5–9(c)所示的圆筒状重物时,应采取哪些安全措施?

图 5–5–9

5.如图 5–5–10 所示,传送带上的货物正匀速向右运动。有同学认为,货物在水平方向受到传送带摩擦力的作用,受到的合力不为零,与物体处于匀速运动状态相矛盾。简要分析这个观点是否正确。

图 5–5–10

发布时间:2026/2/27 下午6:52:55  阅读次数:15

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