第四章 第一节 牛顿第一定律

1．参考解答：仅说法（3）正确。惯性是物体的属性，与物体的运动状态，受力状态均无关

命题意图：承接初中阶段对惯性的理解，对惯性概念进行辨析。

主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅰ）。

2．参考解答：顺序为（2）（3）（1）（4），其中（2）为事实，（3）（1）和（4）为推论

命题意图：认识实验和推理在物理研究中的作用。

主要素养与水平：科学论证（Ⅰ）；证据（Ⅰ）。

3．参考解答：小鸟匀速沿直线飞行，根据牛顿第一定律，小鸟应不受力的作用或所受力的合力为零。因此，小鸟所受除重力外的其他力的合力一定竖直向上，大小与其所受重力相等

命题意图：承接上一章，用牛顿第一定律和共点力平衡的条件解释现象。

主要素养与水平：科学论证（Ⅰ）；质疑创新（Ⅰ）。

4．参考解答：高铁列车原先匀速行驶，杯中的水也随其做匀速直线运动。当列车突然减速时，运动状态发生变化，水由于惯性而相对杯子（列车）向前运动

命题意图：通过生活中的现象感受惯性。

主要素养与水平：科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅰ）。

5．参考解答：下落前，小球随船一起匀速运动。下落过程中，竖直方向：小球受到重力的作用，自由下落，运动状态发生变化；水平方向：小球不受力的作用，由于惯性，继续保持原来匀速运动的状态，与船的速度相同，随船一起前行。所以，刚好从桅杆顶部掉落到桅杆底部

命题意图：用惯性解释真实的现象。

主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学本质（Ⅰ）。

6．参考解答：理想实验是利用理想模型进行逻辑推理的思维活动，而真实实验是一种实践活动，这是两者的主要区别。理想实验作为一种抽象思维方法，对科学的发展起到了重要和积极的作用，如伽利略的斜面理想实验，不仅纠正了亚里士多德“力是物体运动原因”的观点，更为惯性定律的建立奠定了基础。著名的理想实验还有“牛顿大炮”和爱因斯坦的“追光”实验等。建议以表格的形式呈现资料查找的成果

命题意图：在资料查找、文献阅读和互相分享的过程中，提升学生对科学本质的理解。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；交流（Ⅰ）；科学本质（Ⅰ）。

惯性系

伽利略通过对从帆船桅杆顸部落下石块的运动分析形成了惯性定律的雏形，并以地球为静止的惯性参考系，这是因为在比较粗略的力学实验和测量中，地球是一个近似程度很好的惯性参考系。通常把惯性参考系定义为：能使牛顿第一定律成立的参考系称为惯性参考系，相对于惯性参考系匀速直线运动的参考系也是惯性参考系。仔细推敲会发现牛顿第一定律说的是物体在不受外力情况下将保持原有静止或匀速直线运动的状态，这里就出现一个问题：这种运动状态是相对哪个参考系的？如果是相对惯性系的，那么什么又是惯性系呢？

牛顿在第一定律的表述中并没有明确指出“静止状态”或“匀速直线运动状态”是对什么参考系而言的，但牛顿的思想中隐含着绝对时空的观念，认为时间和空间是绝对的，存在着绝对静止的参考系，物体的“静止”或“匀速直线运动”都是相对绝对静止参考系的。实际上一切运动都是相对的，不存在绝对静止的物体。爱因斯坦继承了这一思想，建立了相对论时空观，否定了牛顿的绝对时空观。

伽利略和牛顿都是首先选取了惯性参考系以后才讨论包括惯性定律在内的各种力学问题的。所谓惯性参考系应理解为抽象出来的科学概念。从实际操作的角度而言，既然绝对静止的参考系井不存在，在处理实际力学问题时可以选取近似的惯性系如地球、太阳、银河系中心等；因为在这些近似的惯性系中做力学实验时牛顿定律近似成立，只是近似程度不同，可以根据问题的需要和所能接受的近似程度选取。实践表明，对于一般工程技术中的动力学问题，与地球相固结的坐标系是一个很好的近似惯性系。但在研究大气或海洋的大范围运动或航天器的空间运行时，必须考虑地球自转的影响，这时地心坐标系就是一个更精确的惯性系。如果研究空间探测器的星际飞行，还需考虑地球的绕日公转，应使用日心坐标系作为惯性系。

相对惯性系做匀速直线运动的任何参考系都是惯性系，在这些参考系中，力学规律的表达形式都相同，即在任一惯性系中通过力学实验无法测定惯性系本身的速度。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中，伽利略列举了大量事实说明在做匀速直线运动的船上和在地面上的力学规律的表达形式完全相同，所有惯性参考系都是等价的。这就是力学相对性原理（也称为伽利略相对性原理）。

伽利略相对性原理是物理学基本原理之一，是牛顿时空观的基础，其正确性被大量的物理事实所证明。爱因斯坦在论文《论动体的电动力学>中将力学的相对性原理推广到物理学的其他领域，提出了狭义相对论相对性原理：在任何惯性系中，物理定律具有相同的表达形式。该原理与光速不变原理是狭义相对论的两条基本原理。