2020-2021高中物理教科版必修1教学案：第三章 第4节 牛顿第三定律

第三章牛顿运动定律

第4节牛顿第三定律

一、作用力与反作用力

1．力的相互性

力是物体对物体的作用，一个力一定同时存在着受力物体和施力物体。

2．作用力和反作用力：两个物体间相互作用的一对力，其中的任一个叫作用力，另一个就叫反作用力。

二、牛顿第三定律

1．内容：两个物体之间的作用力(F)和反作用力(F′)总是大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上。

2．公式：F＝－F′，其中F、F′分别表示作用力与反作用力，“负号”表示作用力与反作用力的方向相反。

3．理解：作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，它们总是性质相同的两个力，且同时存在，同时变化，同时消失。

三、反冲现象

1．定义：当物体中的一部分向某方向抛出时，其余部分就会同时向相反方向运动的现象。

2．实例：火箭升空，枪发射子弹，乌贼的游动等。

1．自主思考——判一判

(1)一个物体受几个力作用，则一定存在几个反作用力。(√)

(2)两个物体只有接触才存在作用力和反作用力。(×)

(3)相互作用的一对力中，称哪一个力为作用力是任意的。(√)

(4)只要大小相等、方向相反的同一条直线上的两个力就是一对作用力和反作用力。(×)

(5)作用力是弹力，反作用力可能是摩擦力。(×)

(6)手枪发射子弹时，当子弹飞离枪筒后，子弹与枪身不再存在作用力。(√)

2．合作探究——议一议

(1)“掰手腕”是比较臂力大小的一种常见比赛。在一次“掰手腕”比赛中，甲轻松地战胜了乙，是否是因为甲对乙的作用力大于乙对甲的作用力？

[提示]不是。甲、乙两手间的力为作用力与反作用力，根据牛顿第三定律可知，这两个力大小相等，甲之所以胜了乙，那是因为甲手腕能承受的力大于乙手腕能承受的力。

(2)中国现在已经是探索地外星球的第三软着陆国家，将来还可能建立月球基地。试想直升机能否作为月球上的交通工具？

[提示]月球上没有空气，直升机无法依靠螺旋桨得到升力，无法飞行。

(3)先把一个力传感器固定在物体上，两个传感器的钩子相互钩在一起。钩子受力的大小随时间变化的情况可由计算机屏幕显示，如图3-4-1所示，分析计算机屏幕显示的图像，可得出怎样的结论？

图3-4-1

[提示]分析计算机屏幕显示的图像，可得出两个物体之间的作用力和反作用力在任何时刻总是大小相等、方向相反的结论。

对牛顿第三定律的理解

1．作用力和反作用力的3个特征和4种性质

(1)3个特征

①等大：即大小总是相等的。

②反向：即方向总是相反的。

③共线：即二者总是在同一直线上。

(2)4种性质

①异体性：即作用力和反作用力是分别作用在彼此相互作用的两个物体上。

②相互性：即作用力和反作用力总是相互的、成对出现的。

③同时性：即作用力和反作用力同时产生，同时变化，同时消失。

④同性性：即二者性质总是相同的。

2．作用力与反作用力和平衡力的比较

作用力与反作用力平衡力

共同点大小相等、方向相反、作用在同一直线上

不同点

受力

物体

两个相互作用的物体同一个物体

作用

时间

同时产生，同时变化，同时消失，

不可单独存在

不一定同时产生或消失

力的

性质

相同不一定相同

作用作用在两个物体上，各自产生作用一对平衡力的合力为零，作用效果

效果效果，不能求合力抵消

[典例]如图3-4-2所示，甲、乙两人在冰面上“拔河”。两人中间位置处有一分界线，约定先使对方过分界线者为赢。若绳子质量不计，冰面可看成光滑的，则下列说法正确的是()

图3-4-2

A．甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平衡力

B．甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作用力与反作用力

C．若甲的质量比乙的大，则甲能赢得“拔河”比赛的胜利

D．若乙收绳的速度比甲的快，则乙能赢得“拔河”比赛的胜利

[审题指导]解答本题时应把握以下三点：

(1)绳子质量不计；

(2)冰面可看成光滑的；

(3)该拔河比赛中取胜的关键是加速度小，在相等的时间内位移小。

[解析]根据牛顿第三定律知甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对作用力与反作用力，选项A错误；因为甲对绳的拉力和乙对绳的拉力都作用在绳上，故选项B错误；绳对甲、乙的拉力大小相等，由于甲的质量大，加速度小，相同时间内的位移小，故甲会胜利，选项C正确，D错误。

[答案] C

一对作用力和反作用力与一对平衡力的最直观的区别是平衡力作用在同一个物体上，作用力和反作用力作用在两个物体上；还可以看两个力的性质是否相同来判断。

1.如图3-4-3所示，一匹马拉着车前行，关于马拉车的力和车拉马的力的大小关系，下列说法中正确的是()

图3-4-3

A．马拉车的力总是大于车拉马的力

B．马拉车的力总是等于车拉马的力

C．加速运动时，马拉车的力大于车拉马的力

D．减速运动时，马拉车的力小于车拉马的力

解析：选B马向前拉车的力和车向后拉马的力是一对作用力与反作用力，它们总是大小相等、方向相反，加速运动或者减速运动时，马向前拉车的力都等于车向后拉马的力，故A、C、D错误，B正确。

2．(多选)如图3-4-4所示，P、Q叠放在一起，静止在水平桌面上，在下列各对力中，属于作用力和反作

用力的有( )

图3-4-4

A ．P 所受的重力和Q 对P 的支持力

B ．Q 所受的重力和Q 对P 的支持力

C ．P 对Q 的压力和Q 对P 的支持力

D ．Q 对桌面的压力和桌面对Q 的支持力

解析：选CD 作用力和反作用力一定是两个物体之间的相互作用力，并且大小相等，方向相反，同时产生同时消失，满足牛顿第三定律；而平衡力是同一个物体受到的两个力，不会同时产生和消失。P 所受到的重力和Q 对P 的支持力，很显然，这两个力都作用在一个物体P 上，它们是一对平衡力，故A 错误；作用力和反作用力是同时产生同时消失的，当把P 从Q 的上面去掉之后，Q 对P 的支持力没了，但Q 受到的重力仍然存在，所以它们不是作用力和反作用力，故B 错误；P 对Q 的压力和Q 对P 的支持力，它们是两个物体之间的相互作用力，是一对作用力和反作用力，故C 正确；Q 对桌面的压力和桌面对Q 的支持力，它们是两个物体之间的相互作用力，是一对作用力和反作用力，故D 正确。

牛顿第三定律的应用

[典例] 如图3-4-5所示，质量为M 的平板小车放在倾角为θ的光滑斜面上(斜面固定)，一质量为m 的人在车上沿平板向下运动时，小车恰好静止，求人的加速度。

图3-4-5

[审题指导]

(1)小车静止，合力为零，人对小车有沿斜面向上的摩擦力。

(2)小车对人有沿斜面向下的摩擦力，对人受力分析求得合外力，再由牛顿第二定律可求人的加速度。 [解析] 小车静止在斜面上，对小车进行受力分析如图甲所示，根据合力为零得f ′－Mg sin θ＝0，

人的受力情况如图乙所示，根据牛顿第二定律得f ＋mg sin θ＝ma ， 根据牛顿第三定律得f ′＝f ，解得a ＝M ＋m

m g sin θ。

[答案]

M ＋m

m

g sin θ

在对物体进行受力分析、应用牛顿第二定律解题时，如果涉及作用力与反作用力，应明确指出应用牛顿第三定律的过程，否则，解题过程不完整且可能因此失分。

1.如图3-4-6所示，质量为m 1的木棒用细线悬挂在天花板上，套在木棒上的质量为m 2的金属环正以加速度a 沿木棒加速下滑，此时悬挂木棒的细线对天花板的拉力大小为( )

图3-4-6

A ．(m 1＋m 2)g

B ．m 1g ＋m 2a

C ．(m 1－m 2)g ＋m 2a

D ．(m 1＋m 2)g －m 2a

解析：选D 对金属环受力分析，金属环受到重力和木棒给的向上的摩擦力，根据牛顿第二定律可得：m 2g －f ＝m 2a ，对木棒受力分析，木棒受到重力、拉力、金属环给的向下的摩擦力，因为金属环和木棒间的摩擦力是一对相互作用力，所以大小相等，木棒静止，所以有m 1g ＋f ＝T ，两式联立可得T ＝(m 1＋m 2)g －m 2a ，D 正确。

2.置于水平面上的小车上，有一弯折成角度α的细杆，如图3-4-7所示，细杆另一端固定了一个质量为m 的小球。当小车以加速度a 向左加速前进时，小球对细杆的作用力为多大？方向如何？

图3-4-7

解析：以小球为研究对象，小球受到重力mg 和细杆对它的作用力F ，将F 沿水平方向和

竖直方向分解，水平分力为F x ，竖直分力为F y ，如图所示。由牛顿第二定律可知

F y －mg ＝0，F x ＝ma ， 故细杆对小球的作用力

F ＝F x 2＋F y 2＝(ma )2＋(mg )2＝m a 2＋g 2， θ＝arctan F x F y ＝arctan ma mg ＝arctan a

g

，

由牛顿第三定律可得，小球对细杆的作用力的大小为F ′＝F ＝m a 2＋g 2， 方向与竖直方向夹角为arctan a

g

，斜向右下方。

答案：m a 2＋g 2 方向与竖直方向夹角为arctan a

g ，斜向右下方