剖析牛頓第三定律的內涵分辨相互作用力與平衡力

■梅硯君

牛頓第三定律是關于作用力與反作用力關系的定律,涉及牛頓第三定律的試題通常以選擇題的形式出現,考查同學們對作用力與反作用力的理解和應用。下面我們深入理解牛頓第三定律的內涵,深度辨析相互作用力與平衡力的關系,以期達到幫助同學們突破知識難點,拓展牛頓第三定律在新情境下的應用的目的。

一、深入理解牛頓第三定律的內涵

1.物體間力的作用是相互的,即無論引力的作用、彈力的作用還是摩擦力的作用都是相互的。

2.物體間相互作用的一對力,其中一個力稱為作用力,另外一個力稱為反作用力。需要明確的是:(1)只要有力發生,就一定有受力物體和施力物體;(2)物體間力的作用是相互的,說明力是成對出現的;(3)作用力與反作用力是相對的,如果定義相互作用的一對力中的一個力是作用力,則另一個力就是反作用力。

3.牛頓第三定律的內涵可以概括為:四同、三異、三無關?！八耐笔侵笇τ谌魏挝矬w,無論何時、何地、何種情況、何種條件下,作用力和反作用力同大小,同性質,同一條直線,同時產生、變化和消失,沒有先后主次之分?！叭悺笔侵缸饔昧头醋饔昧哂蟹聪蛐?方向相反)、異體性(作用在彼此相互作用的兩個物體上)和不同效果(兩個力的作用效果不同且不能抵消)。“三無關”是指作用力和反作用力與物體的種類無關、與物體的運動狀態無關、與有無其他物體參與作用無關。

例1 用計算機輔助實驗系統做驗證牛頓第三定律的實驗,點擊實驗菜單中“力的相互作用”,把兩個力探頭的掛鉤鉤在一起,向相反方向拉動,觀察顯示器屏幕上出現的結果如圖1 所示,觀察分析兩個力傳感器的相互作用力隨時間變化的曲線,可以得到以下實驗結論( )。

A.作用力與反作用力時刻相同

B.作用力與反作用力作用在同一物體上

C.作用力與反作用力大小相等

D.作用力與反作用力方向相反

圖1

由圖1可知,作用力和反作用力的圖像關于時間t 軸對稱,說明作用力和反作用力的大小時刻相等,即同時增大,同時減小,變化完全一樣。因為圖像中的正、負表示方向,所以作用力和反作用力方向相反,作用力和反作用力作用在不同的物體上。

答案：CD

二、深度辨析相互作用力與平衡力的關系

作用力與反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。一對平衡力也是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。因此同學們容易將作用力和反作用力與一對平衡力混淆,為了明確二者之間的區別,現將它們的異同點總結在表1中。

表1

判斷一對力是不是作用力和反作用力,主要看兩方面:一是看受力物體,作用力和反作用力應作用在兩個相互作用的物體上,即有兩個作用點;二是看產生原因,作用力和反作用力是由于相互作用而產生的,一定是同一種性質的力。

例2 如圖2 所示,用輕繩L1和L2將A、B 兩重物懸掛起來,下列說法中正確的是( )。

圖2

A.輕繩L1對重物A 的拉力和輕繩L2對重物A 的拉力是一對平衡力

B.輕繩L2對重物A 的拉力和輕繩L2對重物B 的拉力是一對作用力和反作用力

C.輕繩L2對重物B 的拉力和重物B 受到的重力是一對作用力和反作用力

D.輕繩L2對重物B 的拉力和重物B 對輕繩L2的拉力是一對作用力和反作用力

重物A 受到重力、輕繩L1的拉力和輕繩L2的拉力處于平衡狀態,故輕繩L1對重物A 的拉力和輕繩L2對重物A 的拉力不是一對平衡力,選項A錯誤。輕繩L2對重物A 的拉力和輕繩L2對重物B 的拉力,施力物體相同,故不是一對作用力和反作用力,選項B 錯誤。重物B受到重力和輕繩L2的拉力處于平衡狀態,故輕繩L2對重物B 的拉力和重物B 受到的重力是一對平衡力,選項C錯誤。輕繩L2對重物B 的拉力和重物B 對輕繩L2的拉力是一對作用力和反作用力,選項D 正確。

答案：D

例3 一斜面體固定在水平地面上,一物體靜止在斜面上,下列說法中正確的是( )。

B.物體對斜面的摩擦力和斜面對物體的摩擦力是一對作用力和反作用力

C.物體所受重力和斜面對物體的作用力是一對作用力和反作用力

D.物體所受重力和斜面對物體的支持力是一對平衡力

錯解：若不理解一對作用力和反作用力與一對平衡力的區別,僅從大小是否相等及方向是否相反作出簡單的判定,易錯選A、C或D。

正解：A 項中,兩個力的性質相同(均為彈力),并分別作用在兩個物體上,是一對作用力和反作用力,而不是一對平衡力,錯誤。B項中,兩個力是同一性質的力,并分別作用在兩個物體上,是一對作用力和反作用力,正確。物體所受重力的施力物體是地球,重力的反作用力應作用在地球上,斜面對物體的作用力作用在物體上。C 項中,兩個力的作用對象都是物體,而且斜面對物體的作用力(摩擦力與支持力的合力)與重力是不同性質的力,不是一對作用力和反作用力,錯誤。D項中,重力的方向豎直向下,斜面對物體的支持力垂直于斜面向上,這兩個力的方向不在同一條直線上,不是一對平衡力,錯誤。

答案：B

1.2018年12月8 日2 時23 分,搭載著“嫦娥四號”探測器的“長征三號乙”運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射。2019 年1月3日10時26分,“嫦娥四號”成功著陸在月球背面,成為世界上第一個在月球背面實現軟著陸和巡視探測的探測器,這是人類航天史上的偉大壯舉。下面有關說法中正確的是( )。

A.運載火箭尾部向下噴氣,噴出的氣體對火箭產生作用力,從而讓火箭獲得了向上的推力

針對A股長期存在停復牌亂象，監管層已經在持續發力。2016年滬深交易所分別發布《上市公司籌劃重大事項停復牌業務指引》《上市公司停復牌業務備忘錄》，此后滬市上市公司停牌頻次逐年降低、停牌時長整體壓縮，停復牌問題得到了進一步的規范。

B.運載火箭飛出大氣層后,由于沒有空氣,火箭雖然向后噴氣,但是無法獲得前進的動力

C.運載火箭尾部噴出的氣體對空氣產生一個作用力,空氣的反作用力使火箭獲得飛行的動力

D.“嫦娥四號”探測器離開地球大氣層朝月球飛行的過程中,與地球之間不再存在相互作用力

2.我國有一種傳統的民族體育項目叫“押加”,實際上相當于兩個人拔河。如果甲、乙兩人在“押加”比賽中,甲獲勝,那么下列說法中正確的是(不計繩子質量)( )。

A.甲對乙的拉力大小始終大于乙對甲的拉力大小

B.甲對乙的拉力大小始終等于乙對甲的拉力大小

C.當甲把乙加速拉過去時,甲對乙的拉力大小大于乙對甲的拉力大小

D.只有甲把乙勻速拉過去時,甲對乙的拉力大小才等于乙對甲的拉力大小

3.“以卵擊石,卵碎石全?！毕铝嘘P于卵、石之間作用力的表述中不正確的是( )。

A.雞蛋是運動的,石頭是靜止的,因此雞蛋對石頭的作用力大于石頭對雞蛋的作用力

B.雞蛋碎了,而石頭沒有碎,因此雞蛋對石頭的作用力小于石頭對雞蛋的作用力

C.雞蛋對石頭的作用力與石頭對雞蛋的作用力大小相等

D.雞蛋對石頭的作用力與石頭對雞蛋的作用力是一對平衡力

4.一個大人和一個小孩站在水平地面上手拉手比力氣,結果大人把小孩拉過來了。對這個過程中作用于雙方的力的關系,下列說法正確的是( )。

A.大人拉小孩的力一定比小孩拉大人的力大

B.大人與小孩間的拉力是一對作用力與反作用力

C.大人拉小孩的力與小孩拉大人的力大小一定相等

D.只有在大人把小孩拉動的過程中,大人的力才比小孩的力大,在可能出現的短暫相持過程中,兩人的拉力一樣大

參考答案：

1.A 2.B 3.ABD 4.BC