高中物理第四节 牛顿第三定律学案

第四节　牛顿第三定律

[学习目标]　1.理解作用力与反作用力的概念，知道一对作用力与反作用力和一对平衡力的区别.2.理解牛顿第三定律，并会用其解决简单问题.

一、作用力与反作用力

1.力是物体与物体之间的相互作用.只要有力，就一定存在受力物体和施力物体.

2.两个物体之间的作用力总是相互的，两个物体间的这种相互作用力称为作用力与反作用力.

二、探究作用力与反作用力的关系

1.实验1：如图1，无论是单独拉弹簧测力计甲还是相互对拉弹簧测力计甲和乙，都能观察到二者的指针同时移动，稳定后两者指针示数相同，这说明作用力与反作用力大小相等.

图1

2.实验2：如图2，磁针A和磁针B受力在同一直线上且方向相反，这说明它们之间的作用力与反作用力方向相反，作用在同一直线上.

图2

3.实验3：如图3，两条图线关于横轴对称，说明两力传感器之间作用力总是大小相等、方向相反.

图3

三、牛顿第三定律的表述

1.牛顿第三定律：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，作用在同一条直线上.

2.条件：两物体无论接触与否，也无论是运动还是静止，两物体间的作用力与反作用力都遵循牛顿第三定律.

3.对牛顿第三定律的理解：作用力与反作用力分别作用在两个不同的物体上，它们同时产生、同时消失，是同种性质的力.

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相互作用力.(　×　)

一、对牛顿第三定律的理解

导学探究

成语“以卵击石”是指拿蛋去碰石头，比喻不自量力，自取灭亡.

(1)以卵击石时，卵对石头的作用力大，还是石头对卵的作用力大？

(2)为什么会出现卵碎石全的不同效果？

答案　(1)以卵击石时，卵对石头的作用力与石头对卵的作用力是一对作用力和反作用力，根据牛顿第三定律可知，两个力等大、反向；

(2)虽然卵对石头的作用力与石头对卵的作用力等大，但由于两者能承受的最大外力不同，所以会出现不同的作用效果.

知识深化

1.作用力和反作用力的三个性质

2.作用力和反作用力的四个特征

如图4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4

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.

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，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.

针对训练1　越野滑雪是冬奥会比赛项目之一，如图5为运动员在训练中的照片，运动员在赛道上滑行时，关于滑雪板与赛道之间的相互作用力，下列说法正确的是(　　)

图5

A.滑雪板对赛道的作用力大于赛道对滑雪板的作用力

B.滑雪板对赛道的作用力小于赛道对滑雪板的作用力

C.滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力大小相等

D.滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力方向相同

答案　C

解析　滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力是一对作用力与反作用力，二者大小相等，方向相反，故C正确，A、B、D错误.

二、一对相互作用力与一对平衡力的比较

导学探究　如图6所示，牧童沿水平方向拉牛，但没有拉动.

图6

(1)牛受到几个力的作用？画出牛受力的示意图.

(2)牛受到的几个力中，哪些是一对平衡力？

(3)指出牛受到的几个力的反作用力.

答案　(1)牛受到重力G、地面对牛的支持力FN、绳对牛的拉力F和地面对牛的静摩擦力f，共四个力作用，受力示意图如图所示；

(2)牛受到的重力G和地面对牛的支持力FN是一对平衡力；绳对牛的拉力F和地面对牛的静摩擦力f是一对平衡力；

(3)牛受到重力G的反作用力是牛对地球的吸引力；地面对牛的支持力FN的反作用力是牛对地面的压力；绳对牛的拉力F的反作用力是牛对绳的拉力；地面对牛的静摩擦力f的反作用力是牛对地面的静摩擦力.

知识深化　一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较

[深度思考]　马拉着车向前加速运动，能否说明马先对车施加拉力，然后车才对马有拉力作用？车加速前进能否说明马对车的拉力大于车对马的拉力？

答案　都不能，因为作用力与反作用力具有同时性和等大性，与物体的受力情况、运动情况都无关.

(多选)(2020·北京市朝阳区期末)如图7所示，电灯吊在天花板上，下列关于力的说法中，正确的是(　　)

图7

A.灯对悬线的拉力与灯受到的重力是一对平衡力

B.灯对悬线的拉力与悬线对灯的拉力是一对作用力与反作用力

C.灯受到的重力与悬线对灯的拉力是一对平衡力

D.灯受到的重力与悬线对天花板的拉力是一对作用力与反作用力

答案　BC

解析　灯对悬线的拉力与灯受到的重力作用在不同物体上，不是一对平衡力，选项A错误；灯对悬线的拉力与悬线对灯的拉力是一对相互作用力，选项B正确；灯受到的重力与悬线对灯的拉力是一对平衡力，选项C正确；灯受到的重力与悬线对天花板的拉力作用在不同物体上，方向均向下不是一对相互作用力，选项D错误.

特别提醒　区分一对作用力和反作用力与一对平衡力的关键是：一看研究对象；二看依存关系.

针对训练2　如图8所示，物体静止于水平桌面上，则(　　)

图8

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；物体对桌面的压力与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.

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9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的加速度从杆底部加速向上爬，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9

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，所以水平面对底座的支持力为FN＝F′＋Mg＝255 N，由牛顿第三定律知底座对水平面的压力大小为FN′＝FN＝255 N.

针对训练3　如图10所示为杂技“顶杆”表演，一人站在地上，肩上为一质量为M的竖直杆，当杆上一质量为m的人以加速度a加速下滑时，杆对“底人”的压力大小为(重力加速度为g)(　　)

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　对杆上的人受力分析，根据牛顿第二定律得：mg－f＝ma，解得f＝mg－ma，则人对杆的摩擦力大小为：f′＝f＝mg－ma，对杆受力分析，根据共点力平衡得：FN＝Mg＋f′＝(M＋m)g－ma，由牛顿第三定律知，杆对“底人”的压力大小FN′＝FN＝(M＋m)g－ma，故B正确，A、C、D错误.

考点一　对牛顿第三定律的理解

1.(多选)关于作用力与反作用力，下列说法正确的是(　　)

A.作用力是摩擦力，反作用力可能是弹力

B.作用力是弹力，反作用力可能是摩擦力

C.作用力是摩擦力，反作用力一定是摩擦力

D.作用力是弹力，反作用力一定是弹力

答案　CD

解析　作用力与反作用力的性质相同，摩擦力的反作用力一定是摩擦力，弹力的反作用力一定是弹力，故C、D正确，A、B错误.

2.如图1所示，狗拉着雪橇在雪道上行驶，根据牛顿运动定律可知(　　)

图1

A.若加速前进，狗拉雪橇的力大于雪橇拉狗的力

B.若加速前进，狗拉雪橇的力与雪橇拉狗的力平衡

C.若减速前进，狗拉雪橇的力小于雪橇拉狗的力

D.狗拉雪橇的力与雪橇拉狗的力大小始终相等

答案　D

解析　无论雪橇如何运动，狗拉雪橇的力和雪橇拉狗的力是一对作用力与反作用力，因此它们始终大小相等、方向相反，雪橇的运动状态是由雪橇所受合外力决定的，故A、B、C错误，D正确.

3.(多选)如图2所示，我国有一种传统的民族体育项目叫作“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，则下列说法中正确的是(　　)

图2

A.绳对乙的拉力大于绳对甲的拉力，所以甲获胜

B.当甲把乙匀速拉过去时，绳对乙的拉力大小等于绳对甲的拉力大小

C.当甲把乙加速拉过去时，绳对乙的拉力大于绳对甲的拉力

D.绳对乙的拉力大小始终等于绳对甲的拉力大小，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　绳对乙的拉力和绳对甲的拉力总是大小相等，与甲、乙运动状态无关，故B正确，A、C错误.地面对甲的摩擦力大于地面对乙的摩擦力，所以甲获胜，D正确.

4.下列情景中，关于力的大小关系，说法正确的是(　　)

A.跳高运动员起跳时，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.汽车受到地面的支持力大小始终等于地面受到汽车的压力大小，与汽车的运动状态无关

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；汽车受到的地面的支持力和地面受到的汽车的压力是一对作用力和反作用力，它们大小相等，方向相反，与汽车的运动状态无关，D正确.

5.人在沙滩上行走时容易下陷，则下陷过程中(　　)

A.人对沙滩的压力大于沙滩对人的支持力

B.人对沙滩的压力小于沙滩对人的支持力

C.人对沙滩的压力大小等于沙滩对人的支持力大小

D.人对沙滩的压力大小一定等于人的重力大小

答案　C

解析　人对沙滩的压力和沙滩对人的支持力是作用力和反作用力，二者大小相等，方向相反，故A、B错误，C正确；人受重力、沙滩的支持力，人在沙滩上行走时容易下陷说明人受到的向下的重力大于向上的支持力，又人对沙滩的压力大小等于沙滩对人的支持力大小，故D错误.

考点二　一对平衡力和一对作用力与反作用力的比较

6.如图3所示，人站立在体重计上，下列说法正确的是(　　)

图3

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与反作用力

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与反作用力

答案　B

7.(多选)如图4所示，把一本书放在水平桌面上保持静止，下列说法中正确的是(　　)

图4

A.书对桌面的压力是弹力，是由于桌面发生形变而产生的

B.书对桌面的压力在数值上等于书受到的重力

C.书保持静止是由于书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对平衡力

D.书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对作用力和反作用力

答案　BD

解析　书对桌面的压力是弹力，是由于书发生形变而产生的，选项A错误；书对桌面的压力在数值上等于书受到的重力，选项B正确；书保持静止是由于书的重力与桌面对书的支持力是一对平衡力，选项C错误；书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对作用力和反作用力，选项D正确.

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.如图6所示，物体A、B质量分别是5 kg和12 kg，不计滑轮与绳间摩擦及绳的重力，整个系统静止.则B对地面的摩擦力及对地面的压力大小分别为(g取10 m/s2，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6)(　　)

图6

A.30 N　70 N 

B.30 N　80 N

C.70 N　30 N 

D.80 N　30 N

答案　B

解析　由于A处于平衡状态，受力分析可知绳子上的拉力T＝mAg①

对物体B受力分析，如图所示，

由于B静止，则

在水平方向上有：Tcos 53°＝f②

由①②两式得地面对B的摩擦力f＝30 N

对物体B，在竖直方向分析，有mBg＝Tsin 53°＋FN

代入数据解得FN＝80 N

由牛顿第三定律可知物体B对地面的摩擦力大小为f′＝f＝30 N，对地面的压力大小为FN′＝FN＝80 N，故选项B正确.

10.(多选)如图7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7

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.

11.质量为M的人站在水平地面上，用绳通过光滑轻质定滑轮将质量为m的重物从高处放下，如图8所示，若重物以加速度a下降(a<g)，则人对地面的压力大小为(　　)

图8

A.(M＋m)g－ma  B.M(g－a)－ma

C.(M－m)g＋ma  D.Mg－ma

答案　C

解析　设绳的拉力为T，对重物由牛顿第二定律知，mg－T＝ma，所以，绳的拉力为T＝mg－ma.对人受力分析，人受重力Mg、绳的拉力T′及地面的支持力FN而平衡，因T′＝T，又Mg＝FN＋T′，所以FN＝Mg－T′＝(M－m)g＋ma，人对地面的压力与地面对人的支持力为一对作用力与反作用力，根据牛顿第三定律知，人对地面的压力大小也为(M－m)g＋ma，故选C.