高中4.4 牛顿第三定律导学案

4.4　牛顿第三定律

[学习目标]　1.理解作用力和反作用力的概念，知道一对作用力与反作用力与一对平衡力的区别.2.理解牛顿第三定律，并会用其解决简单问题．

牛顿第三定律

1．牛顿第三定律

力：物理学中，把物体之间的相互作用称作力．

2．作用力与反作用力：当男孩对女孩施力的同时，女孩对男孩也施以同样大小的力．如果把男孩对女孩的力叫做作用力，那么，女孩对男孩的力就叫做反作用力．

3．牛顿第三定律

(1)内容：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，作用在一条直线上．

(2)公式：F甲对乙＝－F乙对甲，其中“－”号表示方向相反．

(3)适用条件：牛顿第三定律不仅适用于固体间的相互作用，也同样适用于液体和气体间的相互作用，而且跟物体的运动状态无关．

1．判断下列说法的正误．

(1)物体间可能只有作用力，而没有反作用力．(　×　)

(2)两个物体只有接触才存在作用力和反作用力．(　×　)

(3)物体间先有作用力，然后才有反作用力．(　×　)

(4)物体间的作用力和反作用力等大、反向，可以抵消．(　×　)

(5)物块静止放在水平桌面上，物块所受重力和桌面对物块的支持力是一对平衡力．(　√　)

(6)物体对桌面的压力与桌面对物体的支持力是一对平衡力．(　×　)

2．马拉着车在路上做匀速直线运动，则马拉车的力与车拉马的力是一对________；而马拉车的力与车受到的阻力是一对________．

答案　作用力与反作用力　平衡力

一、对牛顿第三定律的理解

导学探究

1．鸡蛋去碰石头，鸡蛋会“粉身碎骨”，而石头却“安然无恙”，是不是就可以认为鸡蛋对石头的力小，而石头对鸡蛋的力大呢？

答案　不是．鸡蛋去碰石头，鸡蛋会“粉身碎骨”，是因为鸡蛋比较脆弱，在作用力大小相同的情况下，鸡蛋更容易破．

2.如图1，一个物体在粗糙水平地面上以初速度v0向右做匀减速运动，请找出物体受到的支持力与摩擦力的反作用力，一对作用力和反作用力作用在几个物体上？这两对作用力和反作用力各是什么性质的力？

图1

答案　物体受到的支持力的反作用力是物体对地面的压力，地面对物体的摩擦力的反作用力是物体对地面的摩擦力，一对作用力与反作用力作用在两个物体上，支持力与压力是弹力；后一对则都是摩擦力．

知识深化　作用力和反作用力的四个特征

(2020·沈阳市高一教学质量检测)关于作用力与反作用力，下列说法中正确的是(　　)

A．物体相互作用时，先产生作用力，然后才产生反作用力

B．作用力和反作用力的合力为零

C．作用力和反作用力总是同时产生，同时消失，分别作用在两个物体上

D．放在水平桌面上的书，所受重力和桌面对书的支持力为一对作用力与反作用力

答案　C

解析　由牛顿第三定律可知，作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，作用在两个物体上，力的性质相同，它们同时产生，同时变化，同时消失，故A错误，C正确；作用力和反作用力作用在不同的物体上，不能合成，故B错误；放在水平桌面上的书所受重力和桌面对书的支持力为一对平衡力，故D错误．

如图2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2

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

答案　B

解析　马向前拉车的力和车向后拉马的力是一对作用力和反作用力，它们总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，与运动状态无关．加速运动或减速运动时，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．

正确理解牛顿第三定律中“总是”的含义

“总是”是强调对于任何物体，在任何情况下，作用力和反作用力的关系都成立．

(1)不管物体的大小、形状如何，任意两物体间作用力和反作用力总是大小相等、方向相反．

(2)不管物体的运动状态如何，例如，静止的物体之间，运动的物体之间，静止与运动的物体之间，其作用力和反作用力总是大小相等、方向相反．

(3)作用力和反作用力的产生和消失总是同时的．

二、一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较

导学探究　如图3所示，木块静止在水平面上．

图3

(1)在图中画出木块受到的重力G和支持力N的示意图．

重力G和支持力N属于一对什么力？作用在几个物体上？是同一性质的力吗？

(2)在图4中，画出水平面对木块的支持力N和木块对水平面的压力N′.

图4

支持力N和压力N′属于一对什么力？分别作用在什么物体上？是同一性质的力吗？

答案　(1)如图所示．

重力和支持力属于一对平衡力；作用在一个物体上；一个是重力，一个是弹力，不是同一性质的力．

(2)如图所示．

支持力N和压力N′属于一对作用力和反作用力；支持力N作用在木块上，压力N′作用在水平面上；两者都是弹力，是同一性质的力．

知识深化　一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较

(2020·镇原二中高一期末)如图5所示，物体静止于水平桌面上，则(　　)

图5

A．桌面对物体的支持力的大小等于物体的重力，这两个力是一对平衡力

B．物体所受的重力和桌面对它的支持力是一对作用力与反作用力

C．物体对桌面的压力就是物体的重力，这两个力是同一种力

D．物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对平衡力

答案　A

解析　物体的重力是作用在物体上的力，支持力也是作用在这个物体上的力，这两个力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上，所以这两个力是一对平衡力，故A正确，B错误；压力不是重力，它们的施力物体、受力物体、作用点都不相同，故C错误；物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对作用力与反作用力，不是平衡力，故D错误．

针对训练　如图6所示，人沿水平方向拉牛(可视为质点)，但没有拉动．下列说法正确的是(　　)

图6

A．绳拉牛的力小于牛拉绳的力

B．绳拉牛的力与牛拉绳的力是一对平衡力

C．绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是一对平衡力

D．绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是作用力与反作用力

答案　C

解析　绳拉牛的力和牛拉绳的力是作用力与反作用力，大小相等、方向相反，故A、B错误；绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是一对平衡力，故C正确，D错误．

三、牛顿第三定律的综合应用

牛顿第三定律是转换研究对象的桥梁．牛顿第三定律在受力分析、处理连接体问题中都有广泛的应用．当某个力不方便直接分析或求解时，可利用牛顿第三定律转换研究对象，通过分析或求解反作用力，从而快捷地解决问题．

如图7为马戏团中猴子爬杆的装置．已知底座连同竖直杆总质量为20 kg，猴子质量为5 kg，现让猴子沿杆以1 m/s2的加速度从杆底加速向上爬，设猴子与杆之间的作用力为恒力，则底座对水平面的压力为多大？(g取10 m/s2)

图7

答案　255 N

解析　设猴子质量为m，杆及底座总质量为M，

猴子向上加速爬时受到沿杆向上的力为F，对猴子由牛顿第二定律得F－mg＝ma，得F＝m(g＋a)＝55 N，根据牛顿第三定律知，猴子对杆向下的力F′＝F＝55 N，对底座和杆整体受力分析，如图所示，所以水平面对底座的支持力为N＝F′＋Mg＝255 N，由牛顿第三定律知底座对水平面的压力大小N′＝N＝255 N.

1．(对牛顿第三定律的理解)(2020·合肥市六校联考)以下说法正确的是(　　)

A．地球吸引物体，物体吸引地球，这是一对作用力与反作用力

B．甲物体对乙物体施加作用力，乙物体受到作用力后，才产生反作用力，所以先有作用力，再有反作用力

C．甲、乙两队拔河，甲队取胜，说明甲队的拉力大于乙队的拉力

D．重力和支持力组成一对作用力与反作用力

答案　A

解析　地球吸引物体，物体吸引地球，是一对作用力与反作用力，故A正确；作用力与反作用力同时出现，故B错误；拔河比赛时甲对乙的拉力与乙对甲的拉力是一对作用力与反作用力，大小相等，故C错误；重力和支持力是两种性质的力，不是作用力与反作用力，D错误．

2．(对牛顿第三定律的理解)(2021·太原市高一上期末)火箭是世界上最先进的运载工具之一，它是利用喷射燃烧的气体获得动力的．不计空气阻力，在火箭竖直加速升空时，下列叙述正确的是(　　)

A．喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力是一对作用力与反作用力

B．喷出的气体对火箭的推力与火箭的重力是一对作用力与反作用力

C．火箭对喷出的气体的推力与火箭的重力是一对作用力与反作用力

D．喷出的气体对火箭的推力等于火箭的重力

答案　A

解析　由牛顿第三定律可知，喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力是一对作用力与反作用力，所以喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力大小相等，方向相反，故A正确，B、C错误；当火箭沿竖直方向向上加速升空时，喷出的气体对火箭的推力大于火箭的重力，故D错误．

3．(牛顿第三定律)(2021·温州市新力量联盟高一上期末)如图8所示，船夫用撑杆撑船前行，则(　　)

图8

A．船对人的力小于人对船的力

B．船对水的力大于水对船的力

C．人对撑杆的力与撑杆对人的力的大小相等

D．撑杆对河水的力大于河水对撑杆的力

答案　C

4.(一对平衡力与作用力和反作用力)电动滑板车是继传统滑板之后的又一滑板运动的新型产品形式，深受年轻人的喜爱．如图9所示，电动滑板车置于水平地面上，下列说法正确的是(　　)

图9

A．人站在滑板车上保持静止时，人所受的重力和地面对滑板车的支持力是一对平衡力

B．人站在滑板车上保持静止时，滑板车对人的支持力与滑板车对地的压力是一对作用力和反作用力

C．人向上起跳时，滑板车对人的支持力等于人对滑板车的压力

D．人向上起跳时，人所受的重力等于人对滑板车的压力

答案　C

解析　人站在滑板车上保持静止时，人所受的重力与滑板车对人的支持力是一对平衡力，滑板车对人的支持力与人对滑板车的压力是一对作用力和反作用力，A、B错误；人向上起跳时，滑板车对人的支持力与人对滑板车的压力是一对作用力和反作用力，大小相等，方向相反，C正确；人向上起跳时具有向上的加速度，所以滑板车对人的支持力大于人受到的重力，根据牛顿第三定律，人对滑板车的压力也大于人的重力，故D错误．

5．(牛顿第三定律的综合应用)如图10所示为杂技“顶竿”表演，一人站在地上，肩上扛一质量为M的竖直竹竿，当竿上一质量为m的人以加速度a(a＜g，g为重力加速度)加速下滑时，竿对“底人”的压力大小为(　　)

图10

A．(M＋m)g

B．(M＋m)g－ma

C．(M＋m)g＋ma

D．(M－m)g

答案　B

解析　对竿上的人进行受力分析，在竖直方向上，受重力mg、摩擦力f，有mg－f＝ma.竿对人有摩擦力，人对竿也有摩擦力，且大小相等、方向相反．对竿进行受力分析，在竖直方向上，受重力Mg、方向向下的摩擦力f′、“底人”对其支持力N，有N＝Mg＋f′，又因为竿对“底人”的压力和“底人”对竿的支持力是一对作用力和反作用力，由牛顿第三定律得，杆对“底人”的压力大小为N′＝N＝(M＋m)g－ma.

考点一　对牛顿第三定律的理解

1．下列情景中，关于力的大小关系，说法正确的是(　　)

A．跳高运动员起跳，地面对运动员的支持力大于运动员对地面的压力

B．钢丝绳吊起货物加速上升时，钢丝绳对货物的拉力大于货物对钢丝绳的拉力

C．鸡蛋撞击石头，鸡蛋破碎，石头对鸡蛋的作用力大于鸡蛋对石头的作用力

D．火箭加速上升时，火箭发动机的推力大于火箭的重力

答案　D

解析　运动员对地面的压力和地面对运动员的支持力是作用力与反作用力，二者大小相等，A错误；钢丝绳对货物的拉力与货物对钢丝绳的拉力为作用力与反作用力，不管货物处于哪种状态二者大小都相等，B错误；鸡蛋对石头的力和石头对鸡蛋的力是作用力与反作用力，二者大小相等，C错误；火箭加速上升时，合外力向上，故推力大于重力，D正确．

2．(多选)(2019·长春外国语学校高一上期末)如图1所示是利用计算机记录的卫星发射时火箭和卫星之间的作用力和反作用力的变化图线，根据图线可以得出的结论是(　　)

图1

A．作用力大时，反作用力小

B．作用力和反作用力的大小总是相等的

C．作用力和反作用力的方向总是相反的

D．作用力和反作用力是作用在同一个物体上的

答案　BC

3．如图2所示，击球员用棒球棍回击飞过来的棒球时，球棒击棒球的力(　　)

图2

A．比球撞击球棒的力更早产生

B．与球撞击球棒的力同时产生

C．大于球撞击球棒的力

D．小于球撞击球棒的力

答案　B

解析　根据牛顿第三定律可知作用力和反作用力总是等大、反向，同时产生，同时消失，故选B.

4．下列说法正确的是(　　)

A．人行走时向后蹬地，给地面向后的摩擦力，地面给人的摩擦力是人向前的动力

B．人匀速游泳时，人对水向前用力，水给人方向向后的作用力，这个力是阻力

C．放在水平桌面上的物体，因有重力，才有对桌面的压力，才有桌面的支持力出现，即压力先产生，支持力后出现

D．作用力与反作用力，应是先有作用力，再有反作用力，作用力先变化，反作用力随后跟着做相应变化

答案　A

解析　人走路或游泳时，对地或对水都施加向后的力，另一方给人施加动力，故A对，B错；作用力与反作用力总是同时产生，同时变化的，不存在谁先谁后，故C、D均错．

5．(多选)如图3所示，我国有一种传统的民族体育项目叫做“押加”，实际上相当于两个人拔河，如果甲、乙两人在“押加”比赛中，甲获胜，则下列说法正确的是(不计绳子质量)(　　)

图3

A．甲对乙的拉力大于乙对甲的拉力，所以甲获胜

B．当甲把乙匀速拉过去时，甲对乙的拉力等于乙对甲的拉力

C．当甲把乙加速拉过去时，甲对乙的拉力大于乙对甲的拉力

D．甲对乙的拉力始终等于乙对甲的拉力，只是地面对甲的摩擦力大于地面对乙的摩擦力，所以甲获胜

答案　BD

解析　无论物体处于何种状态，物体间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，由于它们作用在不同的物体上，其效果可以不同．甲获胜的原因是甲受到的地面的最大静摩擦力大于绳子对甲的拉力；乙失败的原因是绳子对乙的拉力大于乙受到的地面的摩擦力．但是，根据牛顿第三定律分析可知，甲对乙的拉力大小始终等于乙对甲的拉力大小，选项B、D正确．

考点二　作用力和反作用力与一对平衡力的比较

6．(多选)关于作用力与反作用力以及相互平衡的两个力的下列说法中，正确的是(　　)

A．作用力与反作用力一定是同一性质的力

B．作用力与反作用力大小相等，方向相反，因而可以互相抵消

C．相互平衡的两个力的性质，可以相同，也可以不同

D．相互平衡的两个力大小相等，方向相反，同时出现，同时消失

答案　AC

7．如图4所示，人站立在体重计上，下列说法正确的是(　　)

图4

A．人对体重计的压力和体重计对人的支持力是一对平衡力

B．人对体重计的压力和体重计对人的支持力是一对作用力和反作用力

C．人所受的重力和人对体重计的压力是一对平衡力

D．人所受的重力和人对体重计的压力是一对作用力和反作用力

答案　B

8.(多选)如图5所示，用水平力F把一个物体紧压在竖直墙壁上，使其保持静止，下列说法正确的是(　　)

图5

A．水平力F与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力

B．物体的重力与墙壁对物体的静摩擦力是一对平衡力

C．水平力F与物体对墙壁的压力是一对作用力与反作用力

D．物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力

答案　BD

解析　水平力F与墙壁对物体的弹力是一对平衡力，A错误；物体在竖直方向上受竖直向下的重力以及墙壁对物体竖直向上的静摩擦力，这两个力是一对平衡力，B正确；水平力F作用在物体上，而物体对墙壁的压力作用在墙壁上，这两个力既不是平衡力，也不是相互作用力，C错误；物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力，D正确．

9．(多选)如图6所示，三个木块A、B、C，质量均为m，在水平推力F作用下静止靠在竖直的墙面上．已知A的左侧是光滑的，重力加速度为g，下列说法正确的是(　　)

图6

A．A对B的摩擦力竖直向下，大小是mg

B．B对C的摩擦力竖直向下，大小是2mg

C．C对B的摩擦力竖直向上，大小是mg

D．墙对C的摩擦力竖直向上，大小是3mg

答案　ABD

解析　对A受力分析，B对A的摩擦力与A的重力平衡，所以B对A的摩擦力竖直向上，大小是mg，由牛顿第三定律知，A正确；对A、B、C组成的整体受力分析，墙对C的摩擦力与整体的重力平衡，所以墙对C的摩擦力竖直向上，大小是3mg，D正确；对A、B组成的整体受力分析，C对B的摩擦力与A、B整体的重力平衡，所以C对B的摩擦力竖直向上，大小是2mg，根据牛顿第三定律知，B对C的摩擦力竖直向下，大小是2mg，B正确，C错误．

10．如图7所示的装置中α＝37°，当整个装置以2 m/s2的加速度竖直加速上升时，质量为

10 kg的光滑球对斜面的压力多大？竖直板对球的压力多大？(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，

cos 37°＝0.8)

图7

答案　150 N　90 N

解析　以球为研究对象，受力分析如图，

在竖直方向N1cos α－mg＝ma，

水平方向N1sin α＝N2，

解得N1＝＝150 N，N2＝90 N

由牛顿第三定律可知球对斜面的压力N′与球受到斜面的支持力N1为一对作用力和反作用力，故球对斜面的压力大小N′＝150 N.