牛顿第一定律高一上学期物理粤教版（2019）必修第一册
第四章牛顿运动定律
在第一章中，我们引入了关于运动的一些基本概念，但并未深入探讨物体为何会呈现出各种不同的运动状态。若要深入研究这一问题，我们必须深入思考运动与力之间的联系。在本节中，我们将从历史的角度出发，追溯科学家们的研究轨迹，展示他们对运动原因的探究历程。通过这一过程，我们能够领悟科学方法和科学思想，同时感受到科学家们对人类文明做出的贡献，以及他们正确思想的来之不易。亚里士多德对运动及其成因的研究构成了人类知识探索的重要部分。他提出，物体只有在受到力的作用时才会运动，一旦力被移除，运动便会终止。因此，他认为，要保持物体的运动状态，必须不断施加力。在接下来的两千年间，亚里士多德这一理论占据着主导地位。那么，亚里士多德的观点是否基于事实呢？不妨以生活中的一个普遍现象为例：箱子起初静止于表面粗糙的平面上，一旦有人施加推力，箱子便开始移动；而当手的力量消失后，箱子便会逐渐停止。类似的情况在日常生活中屡见不鲜。长久以来kaiyun全站网页版登录，人们依据经验认为，若想使物体运动，唯有施加推或拉的力。一旦停止施力，物体便会迅速减速直至静止。这一观点与两千多年前亚里士多德根据观察和直观所得出的结论相吻合。亚里士多德作为古希腊哲学的巅峰人物，以其不懈的学术追求，留下了丰富的著作，因而被尊称为“百科全书式的哲学家”。他不仅是伦理学、政治学、逻辑学等众多学科的开拓者，而且其思想对人类历史产生了深刻影响，促进了科学的进步。恩格斯更是赞誉他为“最博学的人”。然而，在探讨力量与运动之间的联系时，他依据生活实践得出的结论仅是表象，其深层原因尚需深入研究。以伽利略的研究为例，我们在现实生活中也能观察到类似现象：一辆小车静止于水平地面，一旦对其施加推力，小车便会开始移动；而当推力消失，小车并不会立即停止，而是会继续前行一段距离之后才逐渐停下。伽利略基于前述观察，提出运动中的物体倾向于持续其运动状态，无需外力来保持这种运动。物体之所以最终停止，是因为摩擦力的干扰。设想在无摩擦力的环境下，物体的运动将如何发展？对于亚里士多德，伽利略曾这样表达他的观点：“坦白讲，我赞同研读亚里士多德的著作，并对其进行了深入的研究。”我不赞同那些甘愿成为亚里士多德忠实追随者的人。伽利略提出，物体要么保持静止，要么以恒定速度持续运动。为此，他设计并进行了著名的理想斜面实验。实验中，小球从斜面AB处滚下，如图所示。
小球从某一特定高度静止释放后kaiyun全站app登录入口，将沿着另一斜面BC滚动上升。斜面越平滑，小球所能上升的高度就越接近其初始高度；若不存在摩擦力，小球将能够达到与初始高度相同的水平。若降低斜面的倾斜角度，小球依然能够达到相同的高度，但需要经过更长的路径。若进一步降低斜面的倾斜角度，小球所走的路径将变得更加漫长，但最终仍能抵达初始的高度。若将斜面改为水平面，小球便无法再达到先前的最高点，而只能以恒定不变的速度持续向前移动。伽利略通过这个理想的斜面实验，以实验数据为基础，运用科学推理手段，提出了“物体运动无需外力持续”的论断，这一结论推翻了亚里士多德长达近两千年的观点。然而，我们清楚，伽利略的斜面实验是一种理想化的实验，并非现实中的真实实验。那么，这是否意味着伽利略纯粹是凭借想象创造出了这一实验？在科学探究领域，所有设想都根植于现实基础，非凭空捏造。以伽利略为例，他所依据的事实究竟是什么？如图1所示，我们可以看到伽利略进行的针和单摆实验装置的示意图。实验中，他将单摆的上端固定，然后将摆球拉至一侧，静止状态下释放，小球便会摆动至另一侧。为了记录摆动的高度，伽利略使用水平尺子进行了标记。图1展示了伽利略针与单摆的实验装置，图2则是对伽利略针与单摆实验步骤的示意。观察图2可知，实验中单摆被固定在点O，而小球则被拉至左侧的A点。
在相同高度的位置释放小球，我们能否观察到其运动情况？小球移动至右侧，是否能够到达相同高度的位置？（2）在悬点O正下方O1位置固定一根针，当小球从左侧A点摆向右侧时，若小球触碰到针，它是否还能摆至相同的高度？（3）将针的位置提升至O2点，小球是否还能摆至相同的高度？（4）通过多次调整小球的悬点并观察其运动轨迹，我们获得了哪些启示？这个路径与哪项实验构想相似呢？伽利略曾通过多次调整悬挂小球的支点，反复进行实验。在当时测量条件的限制下，他观察到小球总是能够回升至初始高度；而悬挂针的位置越高，摆动的小球轨迹就越长，其移动的距离也就越远。调整小球的悬挂点，小球运动的路径AB、AC、AD（见图2），与之前提到的理想斜面实验情形相仿。伽利略从这一实验中获得了灵感，他把小球往返摆动的现象与它在斜面上的运动联系起来，并认为在理想斜面上小球的运动，可以被视为无阻力的单摆运动。因此，小球在斜面上能够回升至初始高度。伽利略所构思的斜面实验，即便属于构想中的实验，其却根植于坚实的事实依据。这种理想化的实验，在科学研究领域占据着关键地位，它凸显了事物的核心属性，并能在现实中难以实现的极端简化与纯化层面发挥作用。它不仅能够展现理性思维的逻辑魅力，更能够使思维跨越当时的科技界限，于想象的无边领域内任意翱翔。伽利略对科学推理方法的探索与实施，堪称人类思想史上的辉煌成就之一，它标志着物理学的真正起点。然而，笛卡尔对伽利略研究的补充，仅阐述了“物体若未受外力影响，将恒久运动”，但对于非水平面上的运动是否需要外力维持，以及具体是何种运动，并未提供合理的解释和详尽的说明。在《哲学原理》这部著作中，法国学者笛卡尔对伽利略的理论进行了进一步的丰富与深化。他认为，除非有外力作用，运动中的物体将保持原有的速度，沿着直线持续前进，既不会自行停止，也不会改变运动轨迹。这一观点明确表明，物体在非水平面上的运动同样无需外力来保持。笛卡尔与牛顿在吸收了伽利略及其他学者研究成果的基础上，对动力学进行了系统性的归纳，提出了一个核心的定律，即牛顿第一定律。该定律指出，所有物体均倾向于维持其匀速直线运动或静止状态，除非受到外力的作用而被迫改变这一状态。这种维持原有运动状态的特性被称为惯性，而牛顿第一定律亦被称作惯性定律。众多实例表明：不论物体处于何种状态，均具备惯性这一特性。惯性是物体本身所固有的性质，而质量则是衡量惯性大小的重要指标，通常情况下，物体质量越大，其惯性也越强；反之，质量较小的物体，其惯性相对较弱。在日常生活里，我们常常会利用到惯性原理。洗手完毕后，我们用力挥动双臂，借此将手上的水分甩落。这种现象发生是因为手部动作突然停止，而水滴由于惯性作用，仍保持原有的运动轨迹，最终与手部分离。此外，我们还需警惕惯性带来的风险，比如禁止汽车超载，就是为了避免因惯性过大而引发的安全隐患。一般来说，物体的质量越大，其惯性也就越强。汽车超载会增大其惯性，一旦遇到紧急情况，车辆很难迅速刹车，极易引发交通事故。若某物体速度的幅度与方向均未发生变动，则其运动状态得以维持恒定。反之，若速度的幅度或方向有所变动，则其运动状态已发生改变。依据牛顿第一定律，若物体未受外力影响，其速度将保持不变；而当物体遭受外力作用，速度发生变动开yun体育app官网网页登录入口，则物体将产生加速度。因此，力并非物体持续运动的关键，它实为物体加速的根本。据此推断，当物体所受的总外力等于零时，原本静止的物体将继续保持静止状态，而原本在运动的物体将持续以恒定的速度沿直线前进。然而，若物体所受的总外力并非零，其原有的运动模式便会发生变动，无论是速度的幅度还是运动的方向都将出现变化。必须强调的是，在自然界中，完全不受外界力量影响的物体并不存在，而牛顿第一定律所阐述的，实际上是一种理论上的理想情形。因此，牛顿第一定律是通过逻辑推理对现实情况进行分析得出的结论，它并不能通过直接的实验来证实。我们日常所观察到的物体保持匀速直线运动或静止，往往是在各种平衡力的共同作用下所表现出的结果。请完成课后作业，感谢您的观看，再次感谢您的观看。
