博士課堂||高中物理:3.3 牛頓第三定律

2021-01-20 博士物理

《早發白帝城》

【作者】李白【朝代】

朝辭白帝彩雲間,千裡江陵一日還。

兩岸猿聲啼不住,輕舟已過萬重山

《早發白帝城》唐代偉大詩人李白在乾元二年(759年)流放途中遇赦返回時所創作的一首七絕,是李白詩作中流傳最廣的名篇之一。此詩意在描摹自白帝至江陵一段長江,水急流速,舟行若飛的情況。


詩中一句「輕舟已過萬重山」描述了小船飛快前行的景象,船槳在撥水的過程中,船漿對水的作用力與水對船漿作用力有什麼關係呢?今天我們一起學習高中物理第三章第三節《牛頓第三定律》

如下圖,用手拉彈簧時,彈簧受到手的拉力 F,同時彈簧發生形變,手也就受到彈簧的拉力 F'。那麼手拉彈簧的力與彈簧拉手的力是什麼關係呢?

地面上及地球附近的物體受到地球的吸引,即受到重力的作用。其實,地球也受到它們的吸引,那麼地球吸引物體的力與物體對地球的吸引力又是什麼關係呢?

兩塊磁鐵相互靠近的時候,如果是異極,它們之間具有吸引作用,而如果是同極,它們將相互排斥。那麼兩個磁鐵之間的作用力有什麼關係呢?

通過上面的觀察和實驗的結果表明,兩個物體之間的作用總是相互的。當一個物體對另一個物體施加了力 ,後一個物體一定同時對前一個物體也施加了力 。物體間相互作用的這一對力,通常叫作作用力(acting force)和反作用力(reacting force)。作用力和反作用力總是互相依賴、同時存在的。我們可以把其中任何一個力叫作作用力,另一個力叫作反作用力。

典型例題1:下列關於作用力和反作用力的敘述正確的是(     )

A. 只有相互接觸的物體間才有作用力和反作用力

B. 作用力和反作用力一定同時產生同時消失

C. 作用力和反作用力可能是不同性質的力

D. 只有物體處於靜止狀態時,作用力和反作用力才會大小相等

【答案】B

解析不接觸的物體之間也可以有相互作用力,如磁力、重力等,所以A錯誤;作用力與反作用力是同時產生的,沒有先後之分,同時產生,同時變化,所以B正確;作用力與反作用力產生的原因相同,即性質相同,所以C錯誤;作用力與反作用力總是大小相等、方向相反,所以D錯誤。

【點評】由牛頓第三定律可知,作用力與反作用力大小相等,方向相反,作用在同一條直線上,作用在兩個物體上,力的性質相同,它們同時產生,同時變化,同時消失.本題應明確作用力和反作用力是相互作用的兩個物體間同時產生的兩個力;其大小相等、方向相反,作用在同一直線上。


作用力和反作用力的大小之間、方向之間有什麼樣的關係?下面我們通過實驗來探究一下:

探究作用力與反作用力之間的關係

方法一、用彈簧秤顯示作用力與反作用力

方法二、用力傳感器探究

作用力與反作用力總是同時產生、同時消失、同時發生變化。

(1)作用力是彈力,反作用力也是               。(2)作用力是摩擦力,反作用力也是              。(3)作用力是磁力,反作用力也是             。

作用力與反作用力分別作用在不同的兩個物體上,作用效果不能相互抵消。

⑴內容:兩個物體間的作用力與反作用力總是大小相等,方向相反,作用在一條直線上。

⑵數學表達式:F=-F』 (「-」表示方向相反)

⑶理解:

①三個性質


四個特點:

作用力與反作用力總是「等值」、「反向」、「共線」、「異體」,其中「總是」表示與物態、力的性質、運動狀態、參考系無關。

③作用效果:

相互作用力各自產生作用效果,相互作用的物體可以處於任何狀態。

典型例題2:關於牛頓第三定律的說法中,正確的是  

A. 牛頓第三定律研究的是力與運動的關係

B. 任何情況下,兩個物體間的作用力和反作用力大小相等

C. 只有靜止或勻速直線運動狀態,作用力和反作用力的大小才相等

D. 兩個物體間的作用力和反作用力一定作用在同一個物體上

【答案】B

【解析】牛頓第三定律研究的是物體間的相互作用,故A錯誤;根據牛頓第三定律可知,作用力與反作用力的大小相等、方向相反、作用在不同物體上,故B正確,D錯誤;作用力與反作用力同時產生、同時變化、同時消失,作用在不同的物體上不論物體做什麼運動,兩個力總是大小相等、方向相反,故C錯誤。

點評作用力與反作用力大小相等,方向相反,作用在同一條直線上,且同時產生、同時變化、同時消失,作用在不同的物體上。本題考查作用力與反作用力間的關係,明確二力「同生、同滅、同變化」的特性,難度不大,屬於基礎題.

辨析:相互作用力與平衡力

前面學習物體受到的平衡力的關係時曾提到,它們大小相等、方向相反、作用在一條直 線上,平衡力跟作用力和反作用力有什麼不同呢?下面通過列表的方式加以比較。

典型例題3:如圖,人靜止站在體重計上,下列說法中正確的是(      )

A. 人對體重計的壓力和體重計對人的支持力是一對平衡力

B. 人對體重計的壓力和體重計對人的支持力是一對作用力與反作用力

C. 人所受的重力和人對體重計的壓力是一對平衡力

D. 人所受的重力和人對體重計的壓力是一對作用力與反作用力

【答案】B

解析人對體重計的壓力與體重計對人的支持力是一對作用力與反作用力,所以B正確,A錯誤;人所受重力和人對體重計的壓力大小相等,方向相同,即不是一對作用力與反作用力,也不是一對平衡力,所以CD錯誤。

【點大小相等,方向相反,作用在一條直線上,作用在同一物體上的兩個力是一對平衡力,大小相等,方向相反,作用在一條直線上,作用在兩個物體上,這兩個是作用力與反作用力。本題考查平衡力和作用力與反作用的比較,要知道一對平衡力是作用在一個物體上,而作用力與反作用力是作用在兩個物體上,且這兩個物體是同一性質的力。

在我們日常生活中牛頓第三定律的例子是很多的,例如:人在划船時,槳向後推水,水就向前推槳,將船向前推進。與此類似,輪船的螺旋槳旋轉時也是向後推水,水同時給螺旋槳一個反作用力,推動輪船前進。

再如,汽車的發動機驅動車輪轉動,由於輪胎和地面之間的摩擦,車輪向後推地面,地面給車輪一個向前的反作用力,使汽車前進。汽車受到的驅動力就是這樣產生的。

牛頓第三定律的應用還有很多,下面就讓我們通過一個視頻詳細了解一下:

牛頓第三定律的應用

在高中物理的力學部分,我們遇到的力主要是重力、彈力摩擦力,了解物體所受力的情況至關重要。

受力分析是指根據各種力的產生條件,結合物體所處的運動狀態,通過一定的方法技巧,來確定出物體所受到的所有力的過程。

我們為什麼要進行受力分析呢?一定質量的物體,它的加速度由它所受各個力的合力決定,因此,要了解物體的運動情況,就必須對它的受力情況進行分析。

畫出物體的受力示意圖

(1)研究對象:選擇你要分析受力情況的物體

(2)隔離:將研究對象與周圍環境劃清界限,便於分析彈力、摩擦力等接觸力。

(3)分析順序:按照重力、彈力、摩擦力、其他力的順序,逐個審查確認,確認存在的力畫出其示意圖。若是多個物體,一般是從上到下,從外到內,從簡單到複雜的順序分析各個物體。

(4)複查:每個力的施力物體是誰?受力情況是否與運動情況吻合?不能多畫也不能少畫一個力。

(1)受力分析只分析研究對象受到的力,而不要畫出它施加於其他物體的力。

(2)受力分析只分析真實存在的力:在力的合成中,合力是假象的力,不是真實存在的;在力的分解中,分力是假象的力,也不是真實存在的。只找出性質力,不要效果力,比如沒有什麼動力和阻力

(3)受力分析不承認「隔山打牛」,比如給物塊一個垂直斜面的外力F,這個力的受力物體就是物塊,斜面並不受到這個力F的作用。


典型例題4:如圖甲所示,物體A、B靜止,畫出A、B的受力圖。

【審題】用隔離法分析。先隔離B:B受重力GB,外力F,由於F的作用,B和A之間的擠壓,所以A對B有支持力NAB,假設A、B接觸面光滑,物體B將相對A下滑,所以B有相對A向下的運動趨勢,B受A向上的靜摩擦力fAB。再隔離A:A受重力GA,牆對A的支持力N牆,由牛頓第三定律得,A受到B對它的壓力NBA,水平向左,摩擦力fBA,方向豎直向下。假設牆是光滑的,A物體相對牆將下滑,也就是說A物體相對牆有向下的運動趨勢,所以牆對A有豎直向上的摩擦力f牆。

【解析】A、B受力如圖乙所示

點評此類問題用隔離法分析,應注意A、B間、A與牆間的摩擦力的分析,同時要根據牛頓第三定律分析。

習題1:(2019·吉林省長春市高三四模)在班級清掃衛生的勞動中,某同學用水平方向的力推桌子,桌子沒動,下列說法中正確的是(     )

A.桌子受到的重力和地面對桌子的支持力是一對相互作用力

B.桌子對地面的壓力和地面對桌子的支持力是一對平衡力

C.同學推桌子的力與桌子受到的摩擦力是一對平衡力

D.同學推桌子的力與同學受到的摩擦力是一對相互作用力


習題2:(2019·浙江省台州市聯誼五校高二期中)如圖所示,羽毛球運動員在比賽過程中用球拍回擊飛過來的羽毛球,下列說法正確的(     )

A.球拍擊羽毛球的力大於羽毛球撞擊球拍的力

B.羽毛球先對球拍有力的作用,球拍才對羽毛球有力的作用

C.羽毛球撞擊球拍的力是由羽毛球發生形變引起的

D.羽毛球對球拍的力和球拍對羽毛球的力是一對平衡力


習題3:(2019·湖南省安鄉縣第五中學高三月考)下列說法正確的是(    )

A.划船時漿向後推水,水就向前推漿,因為水推漿的力大於漿推水的力,船才被推著前進。

B.完全失重的物體將不受到重力,所以此刻一切由重力引起的現象都將消失

C.人在沿直線加速前進的車廂內,豎直向上跳起後,將落在起跳點的後方

D.物體的運動與外界的推、拉等行為相聯繫,如果不再推、拉,原來的運動將停下來這說明必須有力作用,物體才能運動


習題4:(2019·廣東省中山市高一期末)如圖所示,手用力向下壓架在兩本書之間的尺子,尺子發生了彈性形變。若手對尺子的壓力為FN,尺子對手的彈力為FN′,下列說法正確的有(    )


A.FN和FN′是一對平衡力

B.FN和FN′是一對作用力和反作用力

C.FN是由於尺子發生形變而產生的

D.FN′是由於尺子發生形變而產生的


習題5:為了節省能量,某商場安裝了智能化的電動扶梯。無人乘行時,扶梯運轉得很慢;有人站上扶梯時,它會先慢慢加速,再勻速運轉。一顧客乘扶梯上樓,恰好經歷了這兩個過程,如圖所示。那麼下列說法中正確的是(    )

A.顧客先受到三個力的作用,勻速時受到兩個力的作用

B.顧客始終處於超重狀態

C.顧客對扶梯作用力的方向始終豎直向下

D.扶梯對顧客作用力的方向先指向右上方,再豎直向上


[1]彭前程,秦建雲.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京:人民教育出版社,2019:93-96.

[2]保羅·齊澤維茨. 物理:原理與問題上冊[M].杭州:浙江教育出版社,2019:108-109.

[3]W. Thomas Griffith,Juliet W.Brosing. 物理學與生活[M].北京:電子工業出版社,2019:7-10.

[4]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準(2017版)[M]. 北京:人民教育出版社, 2018:11-15.

[5]朱小青.高中新舊課程標準教學要求比較[M]. 上海:華東師範大學出版社, 2020:14-25.

[6]視頻來源:樂樂課堂,特此致謝!博士物理尊重原創,如涉侵權請聯繫刪除。

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