正確理解和應(yīng)用牛頓第一定律

馮小秋

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基本定律，而牛頓第一定律是完全獨(dú)立的一條重要的力學(xué)定律，它和第二、第三定律構(gòu)成了一個(gè)完整的理論體系，它是第二、第三定律的基石，是第二、第三定律成立的保證.對(duì)牛頓第一定律理解和應(yīng)用要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題.

一、理想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的一種重要的研究方法

伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)雖然是想象中的實(shí)驗(yàn)，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)反映了一種物理思想，它是建立在可靠的事實(shí)基礎(chǔ)之上的，以事實(shí)為依據(jù)，以抽象為手段，抓住主要因素，忽略次要因素，從而深刻地揭示了自然規(guī)律.也給我們研究物理問(wèn)題提供了一種重要方法.

1.觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：讓小球從一個(gè)斜面（如圖1中OP）的高處滾下，它會(huì)滾上另一個(gè)對(duì)接的斜面（如圖中PQ），摩擦力越小，小球越能接近于達(dá)到滾下前的高度.

2.提出假設(shè)：如果沒(méi)有摩擦，讓小球從斜面OP上滾下，觀察它在對(duì)接的斜面PQ的運(yùn)動(dòng)情況.

3.運(yùn)用邏輯推理：①小球?qū)?huì)達(dá)到滾下前的高度；②如果對(duì)接斜面的傾角越小，小球在斜面上保持運(yùn)動(dòng)的距離越大；③如果對(duì)接的斜面傾角為零，成了水平面，小球?qū)⒁院愣ㄋ俣扔肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)結(jié)論進(jìn)行修正和推廣.伽利略理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論為牛頓第一定律奠定了基礎(chǔ)，但不等同于后來(lái)的牛頓第一定律.伽利略那時(shí)還未出現(xiàn)重力概念.他預(yù)想到地球上的物體如果在沒(méi)有阻力的水平面上運(yùn)動(dòng)，將以恒定的速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去.因?yàn)榈厍蚴乔驙畹?，地球上的水平面不斷延伸，是個(gè)球面，所以他所設(shè)想的永恒的勻速運(yùn)動(dòng)是網(wǎng)周運(yùn)動(dòng).

例1 伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究創(chuàng)造了一套對(duì)近代科學(xué)發(fā)展極為有利的科學(xué)方法，給出了科學(xué)研究的基本要素.伽利略設(shè)想了另一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，如圖2，其中有一個(gè)是經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，其余是推論.

①減小第二個(gè)斜面的傾角，小球在這斜面上仍然要達(dá)到原來(lái)的高度

②兩個(gè)對(duì)接的斜面，讓靜止的小球沿一個(gè)斜面滾下，小球?qū)L上另一個(gè)斜面

③如果沒(méi)有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)釋放時(shí)的高度

④繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，最后使它咸水平面，小球要沿水平面做持續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)

在上述的設(shè)想步驟中，有的屬于可靠的事實(shí)，有的則是理想化的推論.下列關(guān)于事實(shí)和推論的分類正確的是

（）

A.①是事實(shí)，②③④是推論

B.②是事實(shí)，①③④是推論

C.③是事實(shí)，①②④是推論

D.④是事實(shí)，①②③是推論

請(qǐng)將上述理想實(shí)驗(yàn)的設(shè)想步驟按照正確的順序排列____（只要寫序號(hào)即可）

解析在正確理解伽利略理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可知答案為：B②、③、①、④

例2 有一位古代哲學(xué)家曾經(jīng)把自然界的運(yùn)動(dòng)分為兩種：一種是天然運(yùn)動(dòng)，輕的東西如氣、火向上走，重的東西如水、土向下跑，這是天然運(yùn)動(dòng).它是由物體的本性決定的，一旦物體達(dá)到了自己天然的位置，就不再有運(yùn)動(dòng)的傾向了.另一種是受迫運(yùn)動(dòng)，如水平地面上的馬車，只有馬的拉力才能迫使馬車運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)是受迫運(yùn)動(dòng).地面上物體的運(yùn)動(dòng)都是受迫運(yùn)動(dòng).外力一旦消失，受迫運(yùn)動(dòng)也就停止了.請(qǐng)你說(shuō)說(shuō)這位哲學(xué)家的思想有哪些閃光點(diǎn)？

解析 （1）這位哲學(xué)家對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的自然現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的觀察，并且對(duì)觀察的結(jié)果進(jìn)行分類的做法是可貴的.

（2）他在研究輕的東西時(shí)提出了物體的本性，這對(duì)后人認(rèn)識(shí)物體的慣性是一個(gè)可貴的提示.

二、正確理解牛頓第一定律

1.牛頓第一定律指出一切物體都有保持原有勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì).揭示了物質(zhì)的一種重要屬性——慣性.所以牛頓第一定律也叫慣性定律.

2.牛頓第一定律不是由實(shí)驗(yàn)直接總結(jié)出來(lái)的，是建立在伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)科學(xué)的推理而抽象出來(lái)的規(guī)律.

3.牛頓第一定律揭示了力的本質(zhì)：力是迫使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，是物體獲得加速度的原因，而不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.

例3 關(guān)于物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與所受外力的關(guān)系，下面說(shuō)法中正確的是 （）

A.物體受到恒定的力作用時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變

B.物體受到不為零的合力作用時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要發(fā)生改變

C.物體受到的合力為零時(shí)，它一定處于靜止?fàn)顟B(tài)

D.物體的運(yùn)動(dòng)方向與它所受的合力的方向可能相同

解析 力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，只要物體受力（合力不為零），它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就一定會(huì)改變，A錯(cuò)誤、B對(duì)；物體合力為零，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定不變，處于靜止也可以處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，C錯(cuò)誤；物體的運(yùn)動(dòng)方向與它所受合力方向可能相同，也可能相反，還可能不在一條直線上，D正確.

4.牛頓第一定律揭示了物體在不受外力或受外力零時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.

5.牛頓第一定律具有獨(dú)立性，它不是第二定律的一個(gè)特例.牛頓第一定律確立了動(dòng)力學(xué)定律生效的參考系——慣性系.

例4 如圖3所示，在向右高速行駛的列車車廂內(nèi)，有一人立在車廂中央，用兩支同樣的手槍在同一時(shí)刻分別向車廂的兩端A和B射出子彈.則（）

A.A端的子彈先到

B.B端的子彈先到

C.子彈同時(shí)射到A、B兩端

D.未知列車速度大小，無(wú)法確定

解析 看A、B是否同時(shí)到達(dá)，我們是以車廂為參考系的，這是一個(gè)慣性系.在車廂中的人看來(lái)，車廂是靜止的，則兩子彈相對(duì)于車廂速度等大反向，所以同時(shí)到達(dá).答案選C.

例5 如圖4所示，一個(gè)楔形物體M放在固定的粗糙斜面上，M上表面水平且光滑，下表面粗糙，在其上表面上放一光滑小球m，楔形物體由靜止釋放，則小球在碰到斜面前的運(yùn)動(dòng)軌跡是

（）

A.沿斜面方向的直線

B.豎直向下的直線

C.無(wú)規(guī)則的曲線

D.拋物線

解析 對(duì)小球進(jìn)行受力分析可知：小球所受的重力和支持力均沿豎直方向，小球在水平方向上不受力.根據(jù)牛頓第一定律可知，小球在水平方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，又因楔形物體由靜止釋放，故小球在水平方向上無(wú)運(yùn)動(dòng)，只沿豎直方向向下做直線運(yùn)動(dòng).故B正確.

三、正確理解慣性

1.一切物體包括固體、液體和氣體在任何時(shí)候都具有慣性.慣性是任何物體都具有的共同屬性.對(duì)慣性的理解應(yīng)掌握“一切”的含義：不論物體的種類、質(zhì)量大小、是否受力、是否運(yùn)動(dòng)、做何種運(yùn)動(dòng)都毫不例外地具有慣性.

例6 如圖5所示，車廂頂上A處有一小滴掉下并落在地板上偏前方的B點(diǎn)處，由此可以判斷，車廂可能做

（）

A.向前勻速運(yùn)動(dòng) B.向后勻速運(yùn)動(dòng)

C.向前減速運(yùn)動(dòng) D.向后減速運(yùn)動(dòng)

解析 水滴雖然是液體，但同樣存在慣性，它下落后在水平方向上不受力的作用，由于慣性還保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而汽車相對(duì)水滴向后運(yùn)動(dòng)了，由此可見，汽車是在做減速運(yùn)動(dòng)的.所以本題正確的選項(xiàng)為C.

2.質(zhì)量是物體慣性大小的量度.質(zhì)量大的物體慣性大，質(zhì)量小的物體慣性小.

3.慣性的表現(xiàn)：當(dāng)物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，能表現(xiàn)出它的慣性——維持原來(lái)的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不變的性質(zhì)；當(dāng)物體受到外力的作用而處于變速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，它同樣表現(xiàn)出具有慣性.這種表現(xiàn)可以從兩方面說(shuō)明：

一是物體表現(xiàn)出具有反抗外力的作用而維持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的趨向.具體地說(shuō)，外力要“打破物體原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，而物體的慣性要反抗外力的作用而“維持它原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，正是由于這一對(duì)矛盾的存在決定了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是受一定規(guī)律制約.在同樣大小的力作用下，有的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化比較快，而有的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化比較慢.這就具體反映了前者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易被改變，而后者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不易被改變，即前者的慣性小，后者的慣性大.

二是做變速運(yùn)動(dòng)的物體雖然每時(shí)每刻速度都在變化，可是在任何時(shí)刻物體都表現(xiàn)出要維持它這一時(shí)刻瞬時(shí)速度不變的性質(zhì)，只不過(guò)由于外力的存在不斷地打破它本身慣性的這種“企求”，以致速度繼續(xù)變化.如果某一時(shí)刻外力突然撤銷，物體立即就“維持住”該時(shí)刻的瞬時(shí)速度做勻速直線運(yùn)動(dòng).這就充分反映了做變速運(yùn)動(dòng)的物體仍然具有要維持它每時(shí)每刻的運(yùn)動(dòng)速度保持不變的性質(zhì)，即慣性.

例7 將一玻璃瓶裝水后封閉，放在水平桌面上，在瓶的中部有一個(gè)氣泡處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖6所示.現(xiàn)突然用力將瓶子向前推動(dòng)一下，則可看到氣泡相對(duì)于瓶子的運(yùn)動(dòng)情況是

（）

A.不動(dòng)

B.向前

C.向后

D.無(wú)法確定

解析 假設(shè)氣泡用水替代，則會(huì)隨水一起向前運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際上由于氣泡的質(zhì)量小，慣性小，在相同的力的作用下，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變得快，所以氣泡相對(duì)于瓶子向前運(yùn)動(dòng).