教科版高中物理必修第一册第四章牛顿运动定律课时学案

5　牛顿第三定律

知识点一　作用力与反作用力

　两个物体间相互作用的一对力叫作作用力和反作用力。我们把这一对力中的任一个叫作作用力,则另一个力就叫作这个力的反作用力。

知识点二　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,作用在同一条直线上。

2.表达式:F=-F′,式中负号表示作用力与反作用力方向相反。

1.思考判断

(1)相互作用的一对力中,称哪一个力为作用力是任意的。(　√　)

(2)作用力和反作用力的受力物体是同一物体。(　×　)

(3)只有静止的两个物体作用时,作用力和反作用力才大小相等。(　×　)

(4)作用力与反作用力一定是同一性质的力。(　√　)

(5)先有作用力后有反作用力。(　×　)

(6)作用在两个物体上,大小相等、方向相反,且在一条直线上的两个力一定是作用力和反作用力。(　×　)

2.思维探究

(1)如图,穿冰鞋的两人静止在水平冰面上,甲用力猛推乙,乙向前方运动了起来,那么甲的运动状态是什么情况呢?为什么会出现这种现象?

答案:甲向后运动。因为力的作用是相互的,乙对甲也有反方向的力作用使甲运动了起来。

(2)“掰腕子”是比较臂力大小的一种常见比赛。在一次“掰腕子”比赛中,甲轻松地胜了乙,那么我们就说甲对乙的力大于乙对甲的力,这种说法对吗?

答案:不对。甲取胜的原因是甲对乙的力大于乙的承受能力,但是甲对乙的力与乙对甲的力是作用力与反作用力,大小一定相等。

(3)如图所示,一位同学用水平推力F把一块木块紧压在竖直墙上,使木块处于静止状态。请在图中画出木块所受的力。在此情景中出现了几对平衡力?

答案:木块受力如图所示。有两对平衡力。木块受到的重力G和木块受到墙对它的静摩擦力f静、手推木块的力F和墙对木块的弹力N。

要点一　对牛顿第三定律的理解

(1)如图所示,对拉的两个弹簧测力计A,B的读数有怎样的关系?涉及的力哪些是作用力和反作用力以及平衡力?

(2)在拔河游戏中,两个队通过绳子中的张力作用,对彼此施加的力大小和方向怎样?

答案:(1)A,B读数相等,A拉B的力和B拉A的力为一对作用力和反作用力,A对钩的拉力和B对钩的拉力是一对平衡力。

(2)大小相等、方向相反。

作用力和反作用力的特征与性质

[例1] (多选)在“探究作用力与反作用力的关系”实验中,如图甲所示,某同学用两个力传感器进行实验,通过计算机得到图乙。下列由图乙得到的实验结论中正确的是(　ABC　)

A.两传感器间的作用力与反作用力大小相等

B.两传感器间的作用力与反作用力方向相反

C.两传感器间的作用力与反作用力同时变化

D.两传感器间的作用力与反作用力作用在同一物体上

解析:根据图像可知,两传感器间的作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,故A,B正确;作用力与反作用力同时产生,同时变化,同时消失,故C正确;作用力与反作用力作用在不同的物体上,故D错误。

(3)不存在先后的问题;作用力与反作用力的产生和消失总是同时的。两者中若有一个力产生或消失,则另一个力必然同时产生或消失。

[针对训练1] 越野滑雪是比赛项目之一,如图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(　C　)

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

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。

要点二　一对平衡力与一对作用力和反作用力的比较

如图所示,放于水平面上的木块,受到重力G和支持力N的作用,木块对水平面的压力为F压。

(1)重力G和支持力N是相同性质的力吗?它们的大小、方向存在什么关系?它们是作用力与反作用力吗?

(2)木块受到的支持力N和木块对水平面的压力F压是相同性质的力吗?它们的大小、方向存在什么关系?它们是一对平衡力吗?

答案:(1)重力G和支持力N的性质不相同,它们的大小相等、方向相反,作用在同一物体上,它们不是一对作用力与反作用力,而是一对平衡力。

(2)木块受到的支持力N和木块对水平面的压力F压是相同性质的力,它们的大小相等、方向相反,作用在两个物体上,它们不是一对平衡力,而是一对作用力与反作用力。

相互作用力与平衡力的比较

[例2] (多选)2019年1月3日10时26分,我国“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面南极附近的预选着陆区,人类探测器首次登陆月球背面(如图)。在着陆过程最后阶段,“嫦娥四号”开启发动机,先悬停在距月面100 m高处,再以较小速度到着陆点上方4 m处,最终关闭发动机以自由落体方式完美着陆在月面,关于该探测器从距月面上方100 m高处缓慢下降到着陆点上方4 m处的过程中,下列说法正确的是(　CD　)

A.探测器受到喷射气体的反冲力与自身重力是一对相互作用力

B.探测器受到喷射气体的反冲力与自身重力是一对平衡力

C.探测器对喷射气体的力与喷射气体对探测器的反冲力是一对相互作用力

D.探测器对喷射气体的力与喷射气体对探测器的反冲力大小相等

解析:探测器受到喷射气体的反冲力的受力物体是探测器,探测器自身重力的受力物体也是探测器,不是一对相互作用力,故A错误;探测器下降的过程中没有说明运动的状态,所以探测器受到喷射气体的反冲力与自身重力不一定是一对平衡力,故B错误;探测器对喷射气体的力与喷射气体对探测器的反冲力是一对作用力与反作用力,它们大小相等,故C,D正确。

区别作用力、反作用力和平衡力最简单的方法是看作用点,一对平衡力的作用点一定作用在同一个物体上,而作用力、反作用力的作用点一定分别作用在两个物体上,且是同一相互作用而产生。

[针对训练2] 在立式风洞跳伞实验中,风洞喷出竖直向上的气流将实验者加速向上“托起”,此过程中(　A　)

A.地球对人的吸引力和人对地球的吸引力大小相等

B.人受到的重力和人受气流的力是一对作用力和反作用力

C.人受到的重力大小等于气流对人的作用力大小

D.人受到的重力与气流对人的作用力是一对平衡力

解析:地球对人的吸引力和人对地球的吸引力是一对作用力和反作用力,大小相等,故A正确;实验者加速向上运动,气流对人的作用力大于人受到的重力,不是一对平衡力,故B,C,D错误。

要点三　物体的受力分析

如图所示是滑雪运动员沿斜坡下滑的过程,有人说:运动员受重力、斜坡的支持力、下滑力和运动员对斜坡的压力四个力的作用,对吗?

答案:不对。运动员受重力、斜坡支持力和摩擦力,如图所示,重力产生使运动员沿斜坡向下滑的效果,不是运动员受到的力,不存在下滑力。

1.从相互作用角度进行受力分析的一般步骤

(1)确定研究对象。

(2)按重力、弹力、摩擦力的顺序进行分析。

(3)画出力的示意图。

2.判断力是否存在的方法

(1)依据力的产生条件:根据各种性质的力产生的条件进行判断,如弹力产生的条件是相互接触且发生弹性形变;摩擦力产生的条件是接触面粗糙、相互挤压且有相对运动或相对运动趋势。

(2)依据作用力和反作用力的关系:利用作用力和反作用力的关系来检验力是否存在,因为研究对象所受的每个力都有施力物体或反作用力,找不到施力物体或没有反作用力的力是不存在的。

[例3] (多选)如图所示,在粗糙的水平面上,物体A向着弹簧运动,且使弹簧压缩,则关于物体A的受力情况,下列说法正确的是(　BD　)

A.受重力、支持力、动力、摩擦力和弹簧的弹力

B.受重力、支持力、摩擦力和弹簧的弹力

C.弹簧的弹力是动力,而摩擦力是阻力

D.弹簧的弹力和摩擦力均与物体运动方向相反

解析:选取A为研究对象,对它进行受力分析可知,物体A受到重力、弹簧的弹力、物体与水平面挤压且有相对运动而产生的支持力和摩擦力,故选项A错误,B正确;弹簧处于压缩状态,A受到的弹力方向向右,与运动的方向相反,所以是阻力;滑动摩擦力的方向与物体A运动的方向相反,是阻力,弹簧弹力与摩擦力的方向一致,都是水平向右的,故选项C错误,D正确。

(2)防止“漏力”。严格按照重力、弹力、摩擦力、其他力的步骤进行受力分析,明确与研究对象接触的物体是确定接触力的关键。

[针对训练3] 如图所示,物体A放在物体B上,物体B为一个斜面体,且放在粗糙的水平地面上,A,B均静止不动,则物体B的受力个数为(　C　)

A.2 B.3 C.4 D.5

解析:将A,B视为一个整体,其水平方向无外力作用,B相对地面无运动趋势,故地面对B无摩擦力,物体B受到重力、地面支持力和物体A的压力和摩擦力,受力如图所示,共有四个力,故选项C正确。

牛顿第三定律的普适性

1.定律中的“总是”二字说明对于任何物体,在任何条件下,牛顿第三定律都是成立的。

2.定律适用于物体间的所有性质的力。

[示例] 某人撑杆使船离岸的过程,则下列说法正确的是(　A　)

A.某人与船之间存在摩擦力

B.杆的弯曲是由于受到杆对某人的力

C.杆对岸的力大于岸对杆的力

D.某人对杆的力和岸对杆的力是一对相互作用力

解析:船离开河岸,必定在水平方向受到力的作用,该作用力是人对船的摩擦力,故A正确;依据弹力产生的特性,撑杆发生弹性形变是由于杆受到人对杆的作用力,故B错误;杆对岸的力与岸对杆的力是一对作用力与反作用力,其大小总是相等的,故C错误;人对杆的力和岸对杆的力都作用在杆上,是一对平衡力,不是一对相互作用力,故D错误。

牛顿第三定律在科技、生活中的应用

1.在日常生活中的应用

黑板擦受到黑板摩擦力作用的同时,黑板也受到黑板擦的摩擦力作用。

2.在体育中的应用

“足球运动员用头顶球”增加了比赛的观赏性,提高了获胜的可能,当用头去顶球,球飞出去,说明人对球有力的作用,而同时运动员也感觉到了球对人有力的作用。

3.在现代科技中的应用

中国是火箭的故乡,早在公元1500年,我国学者万户,首次做了航天的科学尝试,他把47枚当时最大的火箭捆在自己坐的椅子背面,让人同时点燃这批火箭升空。火箭升空的原理也是牛顿第三定律的体现。

[示例] 足球运动已经进入各级各类学校,成为同学们特别喜爱的运动项目之一,如图所示。某同学踢球时(　C　)

A.脚对球的作用力大于球对脚的作用力

B.脚对球的作用力小于球对脚的作用力

C.脚对球的作用力与球对脚的作用力是一对作用力与反作用力

D.脚对球的作用力与球对脚的作用力是一对平衡力

解析:同学踢球时,脚对球的作用力与球对脚的作用力是一对作用力和反作用力,总是大小相等、方向相反,故选项A,B,D错误,C正确。

课时作业·巩固提升

1.关于牛顿第三定律,下面说法中正确的是(　C　)

A.两物体间先有作用力,后有反作用力

B.作用力与反作用力可以是不同性质的力

C.作用力与反作用力同时产生,同时消失

D.作用力与反作用力的合力等于零

解析:作用力和反作用力具有同时性,同时产生,同时变化,同时消失,故A错误,C正确;作用力和反作用力必是同一种性质的力,故B错误;作用力与反作用力大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,作用在两个物体上,其效果不能相互抵消,也不能进行力的合成,故D错误。

2.关于马拉车的下列说法正确的是(　C　)

A.马拉车没有拉动,是因为马拉车的力小于车拉马的力

B.马拉车前进,是因为马拉车的力大于车拉马的力

C.不论车如何运动,马拉车的力总等于车拉马的力

D.只有当马拉车不动或马拉车匀速前进时,马拉车的力才等于车拉马的力

解析:马拉车时,不论车如何运动,马拉车的力与车拉马的力都是一对相互作用力,二者总是大小相等的,故C正确,A,B,D错误。

3.人在沼泽地行走容易下陷,下陷时(　B　)

A.人对沼泽地地面的压力大于沼泽地地面对人的支持力

B.人对沼泽地地面的压力等于沼泽地地面对人的支持力

C.人对沼泽地地面的压力小于沼泽地地面对人的支持力

D.人的重力等于沼泽地地面对人的支持力

解析:人对沼泽地地面的压力和沼泽地地面对人的支持力是作用力与反作用力,故二力一定相等,故A,C错误,B正确;对人分析,人受到重力和支持力,由于下陷,故重力大于支持力,则人的重力大于沼泽地地面对人的支持力,故D错误。

4.下列说法中正确的是(　B　)

A.地球附近物体的重力没有反作用力

B.相互作用的两个力究竟哪一个力是作用力(或反作用力)是人为规定的

C.“鸡蛋碰石头”的过程中,鸡蛋对石头的力必为作用力,石头对鸡蛋的力必为反作用力

D.凡是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上且作用在同一个物体上的两个力必定是一对作用力与反作用力

解析:物体受到的重力属于地球对物体的吸引力,它的反作用力是物体对地球的吸引力,故A错误;一对相互作用力,究竟哪一个力是作用力,哪一个力是反作用力,是人为规定的,并不是绝对的,故B正确,C错误;作用力和反作用力分别作用在两个相互作用的物体上,故D错误。

5.(多选)关于反作用力在日常生活和生产技术中应用的例子,下列说法中正确的是(　ACD　)

A.运动员在跳高时总是要用力蹬地面,他才能向上跃起

B.大炮发射炮弹时,炮身会向后倒退

C.农田灌溉用的自动喷水器,当水从弯管的喷嘴里喷射出来时,弯管会自动旋转

D.软体动物乌贼在水中经过体侧的孔将水吸入鳃腔,然后用力把水挤出体外,乌贼就会向相反方向游去

解析:运动员在跳高时总是要用力蹬地面,当对地面的力大于重力时,根据牛顿第三定律,地面对他的反作用力也大于重力,他才能向上跃起,故A正确;大炮发射炮弹时,炮身向后倒退,这是需要防止的,而不是应用,故B错误;农田灌溉用的自动喷水器,当水从弯管的喷嘴里喷射出来时,水对弯管的反作用力使弯管自动旋转,故C正确;乌贼经过身体侧面的孔把水吸入鳃腔,然后用力把水经过小孔挤出体外,根据牛顿第三定律可知,乌贼就获得了与排水方向相反的反作用力,从而向排水的相反方向游去,故D正确。

6.如图所示,人静止站在测力计上,下列说法中正确的是(　B　)

A.人对测力计的压力和测力计对人的支持力是一对平衡力

B.人对测力计的压力和测力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测力计的压力是一对平衡力

D.人所受的重力和人对测力计的压力是一对作用力与反作用力

解析:人对测力计的压力和测力计对人的支持力是一对作用力与反作用力,故A错误,B正确;人所受的重力和人对测力计的压力,既不是一对平衡力,也不是作用力与反作用力,故C,D错误。

7.如图所示,所受重力为G的压路机在水平路面上缓慢行驶,路面对压路机的支持力为N,压路机对路面的压力为F压,关于G,N,F压,下列说法正确的是(　B　)

A.F压大于N

B.F压与G大小相等

C.F压和N是一对平衡力

D.FN和G是一对作用力和反作用力

解析:路面对压路机的支持力N和压路机对路面的压力F压为一对作用力和反作用力,N与G是一对平衡力,故C,D错误;又由牛顿第三定律和二力平衡条件可知,F压与N大小相等,N与G大小相等,故F压与G大小相等,选项B正确,A错误。

8.黑板擦被竖直悬挂着的磁性黑板紧紧吸住不动,下列说法正确的是(　A　)

A.黑板擦受到四个力的作用,其中有三个力的施力物体是黑板

B.黑板擦与黑板间在水平方向有一对相互作用力

C.磁力和弹力是一对作用力与反作用力

D.摩擦力大于重力,黑板擦才不会掉下来

解析:黑板擦受到四个力,重力G,施力物体是地球;支持力FN、摩擦力Ff、磁力F,这三个力的施力物体都是磁性黑板,故A正确;黑板对黑板擦有支持力,则黑板擦对黑板有压力,这两个力是一对相互作用力;黑板对黑板擦有磁力,反过来,黑板擦对黑板有大小相等的磁力,这两个力是一对相互作用力,所以水平方向有两对相互作用力,故B错误;黑板擦所受的磁力和弹力是一对平衡力,大小相等,故C错误;只有黑板擦所受的最大静摩擦力大于等于重力,黑板擦才不会掉下来,故D错误。

9.(多选)机场常用传送带为顾客运送行李,传送带运送行李主要有水平运送和沿斜面运送两种形式,如图所示,a为水平传送带,b为倾斜传送带。当行李随传送带一起匀速运动时,下列几种判断中正确的是(　AC　)

A.a情形中的行李受到重力、支持力

B.a情形中的行李受到重力、支持力和摩擦力作用

C.b情形中的行李受到重力、支持力和摩擦力作用

D.b情形中的行李所受支持力与重力是一对平衡力

解析:因为行李匀速运动,所以a情形中行李只受重力和支持力,A正确,B错误;b情形中行李除受竖直向下的重力和垂直传送带斜向上的支持力外,还必须受到一个沿传送带向上的静摩擦力作用,C正确,D错误。

10.下列“画阴影”的物体受力分析正确的是(　B　)

解析:图A中球与左侧斜面无相互挤压,因此球不受斜向右上方的支持力,故A错误;图B中小球静止在斜面上,要使其合力为零,球只受重力和绳的拉力,故B正确;图C中物体沿粗糙斜面向上冲,摩擦力的方向沿斜面向下,故C错误;图D中两物体一起向右匀速运动,无相对运动趋势,故上面的物体不受水平摩擦力作用,故D错误。

11.画出如图中物体A所受力的示意图,并写出力的名称和施力物体:(1)物体A静止,接触面光滑;(2)A沿固定粗糙斜面上滑;(3)A沿粗糙水平面滑行;(4)接触面光滑,A静止。

解析:(1)物体A受重力G、推力F、地面的支持力FN、墙壁对A向左的弹力FN′,施力物体分别是地球、推A的物体、地面、墙壁。

(2)物体A受竖直向下的重力G、垂直于斜面向上的支持力FN、沿斜面向下的滑动摩擦力Ff,施力物体分别是地球、斜面、斜面。

(3)物体A受重力G、支持力FN、滑动摩擦力Ff,施力物体分别是地球、水平面、水平面。

(4)物体A受重力G、拉力FT、弹力FN,施力物体分别是地球、绳子、墙壁。

答案:见解析

12.如图所示,当水平拉力为F=40 N时,质量为m=10 kg的木板可以在水平面上匀速前进。若在木板上再放一个质量为M的铁块,为使它们匀速前进,需加的水平拉力为F′=60 N,求铁块的质量M。(g取10 m/s2)

解析:木板做匀速运动,水平方向满足二力平衡,则有

f=μF压=μmg=F,

放上M后,则有F′=μ(M+m)g,

代入数据得μ=0.4,

M=5 kg。

答案:5 kg