牛頓第三運動定律的深層次理解

樊弈璠

摘 要：本文首先簡介了英國最偉大的科學家——牛頓以及其相應的貢獻。隨后對比分析了牛頓三大運動定律的異同點，最后重點闡述牛頓第三運動定律在我們生活中的應用。

關鍵詞：牛頓；第三運動定律；作用力；反作用力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0244-02

艾薩克·牛頓作為英國最偉大的物理學家，數學家以及經濟學家，對人類的歷史發展做出了及其重要的貢獻。牛頓的一生成果十分豐富，且其涉獵十分廣泛。作為數學家，牛頓與萊布尼茨同時獨立發現了高等數學的基礎應用工具——微積分。同時，在其他數學領域，牛頓也建樹頗豐，成功提出了“牛頓法”并有效的證明了廣義的二項式定理，為隨后冪級數的發展和研究做出了重大的貢獻。作為經濟學家，牛頓提出了以黃金為本位幣的貨幣制度——金本位制度。這一舉措有效的防止各國政府或著銀行濫發紙幣的權力，也有效避免了通貨膨脹的危害。同時，這一舉措也極大的促進了各國匯率制度的穩定，大大加強了國際貿易和國際投資的進行。作為物理學家，牛頓更加是一位多產的科學家。在光學領域，牛頓發明了反射望遠鏡，并提出和發展了著名的顏色理論，同時也闡釋了冷卻定律。在力學領域，牛頓通過系統研究物體動量與其角動量守恒的關系，通過總結前人的基礎研究，系統的發展了著名的牛頓運動定律，成為其一生最為輝煌的成就。這一重大的發現和發展奠定了隨后三百余年的經典力學史觀，為物理學的發展做出了不可磨滅的貢獻。

1 牛頓運動定律簡介

牛頓運動定律作為一條經典力學領域最重要的定律之一，是牛頓通過總結前人的研究成果，并通過合理的實驗驗證并發展而來的。這一定律最先總結在《自然哲學的數學原理》一書中[1]。這一定律目前在研究宏觀以及低速世界的運動變化中非常實用，也是我們高中物理課本中一條必學的運動定律。這一運動定律不僅是高中物理考試的重點和難點，也是日常生活中應用的重點和難點。這一定律只要包括以下三個部分：分別是牛頓第一運動定律，牛頓第二運動定律以及牛頓第三運動定律，這三條運動定律所研究的側重點有所不同。這些異同點總結于表1中。

從表1中可以看出，這三大牛頓運動定律對力的作用機制完全不同。例如，牛頓第一運動定律指出，力是改變物體運動狀態的基本原因，也就是說，只有對物體施加作用力才能使物體的運動狀態改變，否則物體的運動狀態將不會改變，即物體將維持原來的運動狀態。而對于牛頓第二運動定律而言，力是使物體獲得加速度的基本原因。只要通過施加一定的作用力才能使物體獲得加速度，明確了力的作用效果是使物體產生加速度。而對于牛頓第三運動定律而言，指出力是物體間的相互作用的基本原因，也就是說力是物體間的相互作用，而不是僅僅是指單一物體。這一觀點在表1中也可以看出，牛頓第一運動定律和牛頓第二運動定律是作用在同一物體上而進行研究的，而牛頓第三運動定律與牛頓第一運動定律和牛頓第二運動定律有著本質的區別，它是作用在不同物體上的，有了作用力就會有反作用力。而這三種牛頓運動定律的共同點在于都適用于宏觀且低速運動的物體，也就是說對于高速運動下的微觀物體將不再適用，如電子，光子等運動就不符合經典的牛頓運動定律，而需要相關的相對論方面的知識來解析。基于這一些列原因，這三大牛頓運動定律便共同構成了經典力學的基礎框架。在我們高中物理的學習中，我們只要側重于把牛頓第一運動定律和牛頓第二運動定律作為學習的重點和難點。而往往忽略對牛頓第三運動定律的學習，老師在課堂上對這一定律的講解也只是一筆帶過。但是在我們生活中，牛頓第三運動定律應用對于其他兩大牛頓運動定律一樣，都十分廣泛，因為在現有的體系中不存在作用力只僅僅作用在單一物體上。基于這一概念的解析，深層次理解牛頓第三運動定律的作用機制以及作用效果非常關鍵，也非常重要。

2 牛頓第三定律的作用機制

在深層次理解和運用牛頓第三運動定律之前，我們首先要明確牛頓第三運動定律的基本概念和相應的作用機制。從上面第二部分在對比這三大牛頓運動定律的時候，我們已經明確，力是物體間的相互作用的基本原因，而目前教科書上的經典定義為：兩個物體之間的作用力和反作用力，總是在同一直線上，且這兩個作用力的大小相等，方向相反。從這一基本的概念出發，我們可以把這一概念細分為以下五個部分：（1）力的作用是相互的，不是單獨存在的，這意味著這樣的作用力是同時出現，同時消失，不存在先后順序。（2）相互作用力一定是相同性質的力，否則物體間的相互作用力將不再相等。（3）作用力和反作用力是作用在兩個物體上，產生的作用力不能相互抵消。這一點說明力總是成對出現的。（4）作用力也可以叫做反作用力，只是選擇的參照體系的不同。這意味著作用力和反作用力可以在一定的條件下互相轉換。（5）作用力和反作用力是作用在不同物體上的，因而無法獲得相應的合力，也就是說在談論第三牛頓運動定律的時候是沒有平衡力這一概念的。這一點也是牛頓第三運動定律和其他兩大牛頓運動定律的本質區別。在理解這些的基礎上，我們可以通過牛頓第三運動定律來解釋日常的生產生活中的現象。例如：對于鼓掌這一現象，我們日常生活中常常會碰到，這一現象遵循牛頓第三運動定律。當我們輕輕鼓掌的時候，手掌并不會感到疼痛；但是當我們非常用力來鼓掌的時候，我們發現我們的左右手掌都會感到劇烈的疼痛，但是一段時間過后，手掌就沒有感覺了。這是因為，我們施加的作用力增加，其反作用力也相應的增加。這就好比我們的左手對右手施加作用力增加，那么我們的右手對左手施加的反作用力也相應的增加。同時，如果我們也更換參照體系，也可以這樣理解，當我們的右手對左手施加作用力增加，那么我們的左手對右手施加的反作用力也相應的增加。左右手相應的體系發生了變化，但最終的參照效果是不變的。這一實例非常典型的說明，物體間力的作用力總是相互的，且同時出現以及同時消失。在一定條件下，作用力和反作用力可以相互轉換。這樣的例子比比皆是，當我們用手掌拍打墻壁的時候，越是用力拍打墻壁，手掌就會越感到疼痛。這同樣是由于手掌對墻壁施加的一定的作用力。雖然我們的肉眼看不到墻壁發生的任何變化，但是由于作用力與反作用力的關系，墻壁也對手掌施加了同等大小的作用力，只是在完全相反的方向。正是如此，我們的手掌才會感到疼痛，特別是拍墻壁的作用力越大，手掌就越感到疼痛[2]。從這一實施例來看，牛頓第三運動定律在生活中非常實用。但是，我們通過細心觀察發現，很多現象似乎有違第三牛頓運動定律。當我們把一個雞蛋防置在地面上，顯然雞蛋沒有發生任何變化。但是，當我們把這個雞蛋拿到一定的高度然后掉下來，發現雞蛋落到地面后碎了。這一問題，我們覺得難以用牛頓第三運動定律來解決，好像不符合牛頓第三運動定律。因為，對于同一個雞蛋而言，其重力是恒定的。這也就意味著雞蛋對地面的作用力是恒定的。如果遵循牛頓第三運動定律，那么地面對雞蛋的反作用力也是恒定的。那又為何雞蛋呈現不同的表現形式呢？放置在地面上的雞蛋沒有破裂，而高處落下的雞蛋破裂了。同樣的情況，也發生在我們與大力士進行掰手腕的時候，雖然我們與大力士的作用力大小有所不同，但是依據牛頓第三運動定律可知，物體間力的作用是相互的，且總是大小相等，方向相反的。也就是說，當以我們的手作為參考體系，無論大力士對我們的手施加多大的力，我們的手將反作用于大力士多大的力。同樣，以大力士的手作為研究對象，其情況也是類似的。無論我們的手對大力士施加多大的作用力，大力士的手將反作用于相同的作用力于我們的手。但是，在實際的作用效果卻截然不同。往往我們的手感到劇烈的疼痛，而大力士的手卻沒有任何感覺。至于這其中的原因在于，我們的手承受力的能力較小，因而在相同的作用下容易感到劇烈的疼痛。同樣，對于從高處落下的雞蛋，因為雞蛋在落到地面的瞬間已經產生一個非常大的速度，因而產生了非常大的沖量，而放在地面上的雞蛋對地面的沖量幾乎為零。因此，正式基于這一原因，雖然地面對雞蛋的反作用力相同，但高處落下的雞蛋還是碎了。這些所有的實施例表明，只有認真仔細的觀察生活，才能準確生動的反映生活。相信，只要我們熟練掌握牛頓第三運動定律的基本點，那么我們就可以運用這一定律來解決日常生活中的問題。

3 結語

牛頓第三運動定律作為基本的牛頓三大運動定律之一，在我們日常生活中的方方面面都有涉及。通過深層次理解牛頓第三運動定律將使我們更好的去觀察生活和反映生活，體驗生活中的美。

參考文獻

[1]張維善.牛頓運動定律的歷史追問與現實教學[J].物理教學探討，2011，29（5）：1-6.

[2]盛一恒.牛頓運動定律在生活中的存在與應用[J].文理導航，2018，2（293）：43.