2023年初高中物理衔接读本：4.3 牛顿第三定律

第三节 牛顿第三定律 初中回顾 初中的时候我们已经知道了力的作用是相互的，甲物体对乙物体施力时，乙物体对甲物体也有力的作用。 如图4-15所示，瘦子与胖子拔河，谁的拉力大？ 入门阶梯 牛顿第一定律研究了物体不受任何外力作用时物体的运动状态，牛顿第二定律研究了物体受到外力作用时，物体的加速度跟合外力、质量之间的关系。物体受到外界作用时，它对外界有什么反应呢？这就是牛顿第三定律所要研究的内容。 一、作用力和反作用力 在前一章学习力的概念时，我们就已经作过分析：用手指拉长弹簧时，手指会感受到弹簧的拉力；用手压缩弹簧时，手掌会感受到弹簧的压力。所以，手指和弹簧、手掌和弹簧之间的作用都是相互的。如果有两个同学都穿上溜冰鞋站在水平光滑地而上，当其中人用于推另一人时，两人都同样受到力的作用且同时向相反方向运动。两辆实验小车上分别固定条形磁铁后，相隔一段距离放在玻璃板上，若同名磁极相对，则两车相互主排斥，就相背运动；若异名磁极相对，则两车相互吸引，就相向运动。 观察和实验表明，两个物体之间的作用总是相互的，甲物体对乙物体有力作用时，乙物体也一定同时对甲物体有方向相反的力的作用。所以力是物体间的相互作用。自然界不存在只受到别的物体对它的作用力，而不同对别的物体施加力的物体；当然也不存在只对别的物体施加力，而不同时受别的物体作用力的物体。例如，太阳吸引地球的同时，地球也吸引太阳。 我们把两个物体间相互作用的一对力，叫做作用力和反作用力。若把其中任意一个力叫做作用力，那么另一个力就是反作用力。 二、牛顿第三定律 为了研究作用力和反作用力的关系，可以按照图4-16（a）所示做一个简单的实验： 把两只弹簧测力计A和B的挂钩勾在一起，让弹簧测力计B的另一端固定在墙上，再用手拉弹簧测力计A的另一端。这时可以看到，无论怎样改变手的拉力，两只弹簧测力计上的示数总是相等的。弹簧测力计B的示数表示弹簧测力计A对它的拉力大小，弹簧测力计A的示数表示弹簧测力计B对它的拉力大小[图4-16（b）]。手一松开，两只弹簧测力计上的指针都同时回到零点。 大量实验表明：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律。 用数学公式表示可以写成 “—”号表示方向相反的意思。 所以图4-15中瘦子与胖子拔河，不论谁输谁赢，他们俩之间的拉力总是一样大的。 牛顿第三定律在生活和生产中应用很广，人能在地面上行走就是靠地面给脚的反作用力。如图4-17所示的划艇比赛中，运动员齐力用桨向后划水，水给桨向前的反作用力，推动划艇前进。图4-18中火箭发射过程，火箭向下喷山高温、高压气体，气休对火箭同时产生巨大的向上反作用力使火箭加速上升。随着人类探索宇宙的梦想逐步实现，牛顿第三定律的应用会越来越广泛。 牛顿第三定律适用于一切物体吗？如何深入理解牛顿第三定律呢？ 牛顿第三定律不仅适用于固态物体间的作用，也适用于气体、液体或不同状态物体间的作用。 牛顿第三定律阐明了：力是物体间的相互作用，有作用力必有反作用力。作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上，一定是同种性质的力，它们同时产生、同时存在和同时消失。 例题1（拔河）一个小孩与一个大人拔河，有两种情景，如图4-19所示，其中图（a）为大人小孩都直接站在地面上；图（b）为小孩站在草地上，大人穿着溜冰鞋站在水泥地面上。请问下列解释对吗？ 解释1：在图（a）情景下，大人获胜。因为大人对小孩的拉力大于小孩对人的拉力。 解释2：在图（b）情景下，小孩获胜。因为小孩对大人的拉力大于大人对小孩的拉力。 解析 两人拔河时，不论谁输谁赢，他们相互间的拉力是一对作用力与反作用力，总是大小相等的。所以上述对拔河输赢的解释是错误的。 当如图（a）进行拔河时，大人获胜。小孩受到的拉力大于地面对小孩的摩擦力，所以小孩要向拉力方向一侧移动，即向大人一侧移动；而大人受到的拉力等于地面对大人的摩擦力，所以大人不动。因此大人获胜。 当如图（b）进行时，小孩获胜。大人受到的拉力大于地面对大人的摩擦力，所以大人要向拉力方向一侧移动，即向小孩一侧移动；而小孩受到的拉力等于地面对小孩的摩擦力，所以小孩不动。因此小孩获胜。 作用力和反作用力与平衡力有区别吗？ 通过学习前面的知识，同学们会发现作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上；而我们前面第三章学过，作用在物体上的一对平衡力，也是具有等大、反向、共线的性质。但是作用力和反作用力与平衡力有着本质的区别，同学们千万不可混淆。 作用力和反作用力与平衡力的区别可从下面几个方面来理解：第一，作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，它们对两个物体产生的作用效果是不能抵消的；而一对平衡力是作用在同一物体上的，它们的作用效果必定相互抵消。第二，作用力和反作用力的性质必定相