正确理解和应用牛顿第一定律

冯小秋

牛顿运动定律是经典力学的基本定律，而牛顿第一定律是完全独立的一条重要的力学定律，它和第二、第三定律构成了一个完整的理论体系，它是第二、第三定律的基石，是第二、第三定律成立的保证.对牛顿第一定律理解和应用要注意以下几个方面的问题.

一、理想实验是物理学发展过程中的一种重要的研究方法

伽利略的理想斜面实验虽然是想象中的实验，但这个实验反映了一种物理思想，它是建立在可靠的事实基础之上的，以事实为依据，以抽象为手段，抓住主要因素，忽略次要因素，从而深刻地揭示了自然规律.也给我们研究物理问题提供了一种重要方法.

1.观察现象，发现问题：让小球从一个斜面（如图1中OP）的高处滚下，它会滚上另一个对接的斜面（如图中PQ），摩擦力越小，小球越能接近于达到滚下前的高度.

2.提出假设：如果没有摩擦，让小球从斜面OP上滚下，观察它在对接的斜面PQ的运动情况.

3.运用逻辑推理：①小球将会达到滚下前的高度；②如果对接斜面的倾角越小，小球在斜面上保持运动的距离越大；③如果对接的斜面倾角为零，成了水平面，小球将以恒定速度永远运动下去.

4.通过实验对推论进行验证，对结论进行修正和推广.伽利略理想实验的结论为牛顿第一定律奠定了基础，但不等同于后来的牛顿第一定律.伽利略那时还未出现重力概念.他预想到地球上的物体如果在没有阻力的水平面上运动，将以恒定的速度持续运动下去.因为地球是球状的，地球上的水平面不断延伸，是个球面，所以他所设想的永恒的匀速运动是网周运动.

例1 伽利略对运动的研究创造了一套对近代科学发展极为有利的科学方法，给出了科学研究的基本要素.伽利略设想了另一个理想实验，如图2，其中有一个是经验事实，其余是推论.

①减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度

②两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面

③如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度

④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它咸水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动

在上述的设想步骤中，有的属于可靠的事实，有的则是理想化的推论.下列关于事实和推论的分类正确的是

（）

A.①是事实，②③④是推论

B.②是事实，①③④是推论

C.③是事实，①②④是推论

D.④是事实，①②③是推论

请将上述理想实验的设想步骤按照正确的顺序排列____（只要写序号即可）

解析在正确理解伽利略理想实验的基础上可知答案为：B②、③、①、④

例2 有一位古代哲学家曾经把自然界的运动分为两种：一种是天然运动，轻的东西如气、火向上走，重的东西如水、土向下跑，这是天然运动.它是由物体的本性决定的，一旦物体达到了自己天然的位置，就不再有运动的倾向了.另一种是受迫运动，如水平地面上的马车，只有马的拉力才能迫使马车运动，这样的运动是受迫运动.地面上物体的运动都是受迫运动.外力一旦消失，受迫运动也就停止了.请你说说这位哲学家的思想有哪些闪光点？

解析 （1）这位哲学家对错综复杂的自然现象进行详细的观察，并且对观察的结果进行分类的做法是可贵的.

（2）他在研究轻的东西时提出了物体的本性，这对后人认识物体的惯性是一个可贵的提示.

二、正确理解牛顿第一定律

1.牛顿第一定律指出一切物体都有保持原有匀速直线运动状态或静止状态的性质.揭示了物质的一种重要属性——惯性.所以牛顿第一定律也叫惯性定律.

2.牛顿第一定律不是由实验直接总结出来的，是建立在伽利略的理想斜面实验的基础上，经过科学的推理而抽象出来的规律.

3.牛顿第一定律揭示了力的本质：力是迫使物体的运动状态发生变化，是物体获得加速度的原因，而不是维持物体运动的原因.

例3 关于物体的运动状态与所受外力的关系，下面说法中正确的是 （）

A.物体受到恒定的力作用时，它的运动状态不发生改变

B.物体受到不为零的合力作用时，它的运动状态要发生改变

C.物体受到的合力为零时，它一定处于静止状态

D.物体的运动方向与它所受的合力的方向可能相同

解析 力是改变物体运动状态的原因，只要物体受力（合力不为零），它的运动状态就一定会改变，A错误、B对；物体合力为零，其运动状态一定不变，处于静止也可以处于匀速直线运动状态，C错误；物体的运动方向与它所受合力方向可能相同，也可能相反，还可能不在一条直线上，D正确.

4.牛顿第一定律揭示了物体在不受外力或受外力零时的运动状态——静止或匀速直线运动状态，揭示了力和运动的关系.

5.牛顿第一定律具有独立性，它不是第二定律的一个特例.牛顿第一定律确立了动力学定律生效的参考系——惯性系.

例4 如图3所示，在向右高速行驶的列车车厢内，有一人立在车厢中央，用两支同样的手枪在同一时刻分别向车厢的两端A和B射出子弹.则（）

A.A端的子弹先到

B.B端的子弹先到

C.子弹同时射到A、B两端

D.未知列车速度大小，无法确定

解析 看A、B是否同时到达，我们是以车厢为参考系的，这是一个惯性系.在车厢中的人看来，车厢是静止的，则两子弹相对于车厢速度等大反向，所以同时到达.答案选C.

例5 如图4所示，一个楔形物体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，楔形物体由静止释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是

（）

A.沿斜面方向的直线

B.竖直向下的直线

C.无规则的曲线

D.抛物线

解析 对小球进行受力分析可知：小球所受的重力和支持力均沿竖直方向，小球在水平方向上不受力.根据牛顿第一定律可知，小球在水平方向上的运动状态不变，又因楔形物体由静止释放，故小球在水平方向上无运动，只沿竖直方向向下做直线运动.故B正确.

三、正确理解惯性

1.一切物体包括固体、液体和气体在任何时候都具有惯性.惯性是任何物体都具有的共同属性.对惯性的理解应掌握“一切”的含义：不论物体的种类、质量大小、是否受力、是否运动、做何种运动都毫不例外地具有惯性.

例6 如图5所示，车厢顶上A处有一小滴掉下并落在地板上偏前方的B点处，由此可以判断，车厢可能做

（）

A.向前匀速运动 B.向后匀速运动

C.向前减速运动 D.向后减速运动

解析 水滴虽然是液体，但同样存在惯性，它下落后在水平方向上不受力的作用，由于惯性还保持原来的运动状态，而汽车相对水滴向后运动了，由此可见，汽车是在做减速运动的.所以本题正确的选项为C.

2.质量是物体惯性大小的量度.质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小.

3.惯性的表现：当物体处于静止或匀速直线运动时，能表现出它的惯性——维持原来的静止或匀速直线运动的状态不变的性质；当物体受到外力的作用而处于变速运动的状态时，它同样表现出具有惯性.这种表现可以从两方面说明：

一是物体表现出具有反抗外力的作用而维持其原有运动状态不变的趋向.具体地说，外力要“打破物体原有的运动状态”，而物体的惯性要反抗外力的作用而“维持它原有的运动状态”，正是由于这一对矛盾的存在决定了物体运动状态的变化是受一定规律制约.在同样大小的力作用下，有的物体运动状态的变化比较快，而有的物体运动状态的变化比较慢.这就具体反映了前者的运动状态容易被改变，而后者的运动状态不易被改变，即前者的惯性小，后者的惯性大.

二是做变速运动的物体虽然每时每刻速度都在变化，可是在任何时刻物体都表现出要维持它这一时刻瞬时速度不变的性质，只不过由于外力的存在不断地打破它本身惯性的这种“企求”，以致速度继续变化.如果某一时刻外力突然撤销，物体立即就“维持住”该时刻的瞬时速度做匀速直线运动.这就充分反映了做变速运动的物体仍然具有要维持它每时每刻的运动速度保持不变的性质，即惯性.

例7 将一玻璃瓶装水后封闭，放在水平桌面上，在瓶的中部有一个气泡处于静止状态，如图6所示.现突然用力将瓶子向前推动一下，则可看到气泡相对于瓶子的运动情况是

（）

A.不动

B.向前

C.向后

D.无法确定

解析 假设气泡用水替代，则会随水一起向前运动，但实际上由于气泡的质量小，惯性小，在相同的力的作用下，运动状态改变得快，所以气泡相对于瓶子向前运动.