浅谈牛顿第一定律中考查的物理能力

马俊华

谈到牛顿第一定律，相信很多同学都能背得滚瓜烂熟：“一切物体总保持匀速直线状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。”但是会背并不代表理解、会用。新《教学大纲》要求高考物理注重对考生能力的考查，下面笔者以牛顿第一定律为例浅析高中物理对考生能力要求的几个主要方面。

一、理解能力

根据牛顿第一定律的表述理解力是改变物体运动状态的条件，如果物体不受外力或者所受外力的合力为零，那么它的运动状态将保持不变。有些同学只是简单地把物体静止和运动之间的转换理解为运动状态的改变，其实这是片面的，物体运动状态发生改变的情况还包括物体运动速度的大小或方向发生变化。

例1 运用牛顿第一定律分析，下面说法正确的是（ ）

A.如果一个物体只受恒力作用，那么它的运动状态一定不会发生改变

B.如果一个物体所受合力不为零，那么它的运动状态一定会发生改变

C.如果一个物体所受力的合力为零，那么它一定处于静止状态

D.所有物体的运动方向都与它所受的合力的方向共線

解析：当物体受到恒定的力作用时，它存在一个恒定的加速度，所以它的速度会发生改变，如抛体运动，故选项A错误；物体受到不为零的合力作用时，加速度就不为零，所以它的运动状态一定会发生改变，故B项正确；如果物体受到的合力为零，那么它可能处于静止状态也可能做匀速直线运动，故选项C错误；但物体加速度的方向与物体速度的方向不一定相同，如平抛运动，故选项D错误。故答案选B。

点评：物体不受力或所受合力为零时只能处于静止或匀速直线状态，只要它所受合外力不为零，它的运动状态就会改变。

二、推理能力

牛顿第一定律又叫惯性定律，因为它推导出了惯性的概念。

例2 （2012·新课标全国卷，14）伽利略根据小球在斜面上运动的实验和理想实验，提出了惯性的概念，从而奠定了牛顿力学的基础。早期物理学家关于惯性有下列说法，其中正确的是（ ）

A.物体抵抗运动状态变化的性质是惯性

B.没有力的作用，物体只能处于静止状态

C.行星在圆周轨道上保持匀速率运动的性质是惯性

D.运动物体如果没有受到力的作用，将继续以同一速度沿同一直线运动

解析：物体保持原来运动状态不变的性质就是惯性，惯性也可以说是物体抵抗运动状态改变的性质，故选项A正确；如果没有力的作用，那么物体可能保持静止，也可能做匀速直线运动，故选项B错误；行星在它的运行轨道上做圆周运动，而惯性指的是物体所具有的保持它原来的运动状态的性质，故选项C错误；运动的物体如果没有受到力的作用，由牛顿第一定律可知，物体将继续以同一速度沿同一直线一直运动下去，选项D正确。故答案为AD。

点评：质量是衡量惯性大小的唯一标准，不管物体的运动状态如何，只要质量不变，它的惯性就是恒定的。

三、分析综合能力

根据表面现象分析出物体运动状态改变的本质原因，弄清其中牵涉的物理过程。

例3 如图所示，在小车上固定一个装满水的瓶子，瓶子里面有气泡。请具体分析小车处在下列状态时，气泡在瓶子中的运动情况：（1）匀速向右时突然停止；（2）保持匀加速或匀减速直线运动。

解析：（1）匀速向右突然停止时，水和气泡都由于惯性继续保持向右运动，但惯性的大小与质量有关，水的质量大于气泡中空气的质量，所以水的惯性大，所以气泡被水挤到了左侧，气泡向左运动。

（2）匀加速时运动时，类似于车突然启动，但水的惯性大，所以气泡向右运动，同理可得出整个装置匀减速时气泡向左运动。

点评：虽然本题问的是气泡的运动情况，但是由于瓶中所装水的质量远大于瓶中气泡的质量，因此分析气泡的运动情况时要考虑水运动情况的影响，分析出水是研究对象是解答本题的关键。

四、实验能力

能明确实验目的，理解实验原理和方法，能控制实验条件，分析实验现象，处理实验数据。必修一牛顿第一定律课时后面紧接着就是“探究加速度与力、质量的关系”课时实验。

例4 （2016·全国卷综3）某物理课外小组利用图a中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮：轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个，每个质量均为0.010kg。实验步骤如下：

（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物快，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑。

（2）将n（依次取n=1，2，3，4，5）个钩码挂在轻绳右端，其余N-n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a。

（3）对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图b所示：由图b求出此时小车的加速度（保留两位有效数字），将结果填入下表。

（4）利用表中的数据在图c中补齐数据点，并做出a-n图象。从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。

（5）利用a-n图象求得小车（空载）的质量为_______kg（保留两位有效数字，重力加速度取g=9.8m·s-2）。

（6）若以“保持木板水平”来代替步骤（1），下列说法正确的是_______（填入正确选项的标号）

A.a-n图线不再是直线

B.a-n图线仍是直线，但该直线不过原点

C.a-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大

解析：（3）释放小车后小车做初速度为零的匀加速直线运动，则有s=at2，选择图像上任一点的坐标值代入上式解得：a=0.39m/s2。

（4）利用题表中所给的数据在图c中补齐数据点，用描点法可得下图所示图线。

（5）运用F=ma可得nmg=（5m+M）a，代入m=0.010kg，n=1，2，3，4，5，以及相应的加速度之后可求出小车的质量为M=0.45kg。

（6）若以“保持木板水平”来代替步骤（1），即不平衡摩擦力，则由牛顿运动定律，nmg-f=（5m+M）a，f=μ[（5-n）m+M]g，a=nmg/（5m+M）-g。将m=0.010kg，n=1，2，3，4，5，M=0.45kg代入并描点，得到的a-n图线如上图所示。

显然a-n图线不再过原点，但仍然是直线，直线的斜率增大，选项A错误，BC正确。

答案：（3）0.39 （4）如图所示 （5）0.45 （6）BC

点评：探究物体的加速度与它所受的合外力之间的关系，应采用控制变量法，在保持小车质量不变的条件下把细线的拉力看作是合外力，利用所得的纸带得出加速度。此题嫁接了位移图象、摩擦力公式及其相关知识点，增大了考生的解题难度。

（作者单位：山东省肥城市第一高级中学）