第三章 第 3 节 牛顿第三定律

问题

力的作用是相互的。相互作用的力其大小有什么关系？

例如，大人跟小孩掰手腕，很容易就把小孩的手压在桌面上。那么，他们施加给对方的力，大小相等吗？

作用力和反作用力

力是物体对物体的作用。只要谈到力，就一定存在着受力物体和施力物体。

用手拉弹簧，弹簧受到手的拉力F，同时弹簧发生形变，手也就受到弹簧的拉力F′（图3.3-1）。坐在椅子上用力推桌子，会感到桌子也在推我们，我们的身体要向后仰。我们常说，地面上及地球附近的物体受到地球的吸引（重力）。其实，地球也受到它们的吸引，地球和物体之间的作用也是相互的（图3.3-2）。如此等等，不胜枚举。

观察和实验的结果表明，两个物体之间的作用总是相互的。当一个物体对另一个物体施加了力，后一个物体一定同时对前一个物体也施加了力。物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力（acting force）和反作用力（reacting force）。作用力和反作用力总是互相依赖、同时存在的。我们可以把其中任何一个力叫作作用力 ，另一个力叫作反作用力。

牛顿第三定律

作用力和反作用力的大小之间、方向之间有什么样的关系？这又是一个定量的问题，而定量的问题通常只靠观察和经验是解决不了的，它需要通过实验测量来回答。

实验

用弹簧测力计探究作用力和反作用力的关系

如图3.3-3，把A、B两个弹簧测力计连接在一起，B的一端固定，用手拉测力计A。可以看到两个测力计的指针同时移动。这时，测力计B受到A的拉力F，测力计A则受到B的拉力F′。F与F′有什么关系呢？

从实验中可以发现，两个弹簧测力计的示数是相等的，方向相反。

大量事实表明：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。这就是牛顿第三定律（Newton’s third law）。

在生活和生产中应用牛顿第三定律的例子是很多的。

人在划船时，桨向后推水，水就向前推桨，将船向前推进（图3.3-4）。与此类似，轮船的螺旋桨旋转时也是向后推水，水同时给螺旋桨一个反作用力，推动轮船前进。

汽车的发动机驱动车轮转动，由于轮胎和地面之间的摩擦，车轮向后推地面，地面给车轮一个向前的反作用力，使汽车前进（图3.3-5）。汽车受到的驱动力就是这样产生的。若把驱动轮架空，不让它跟地面接触，这时车轮虽然转动，但车轮不推地面，地面也就不会产生向前推车的力，汽车就不会前进。陷在泥泞中的汽车，尽管车轮飞转，但是如果泥和车轮之间太滑，车轮得不到足够的摩擦力，车也是出不来的。许多越野车可以按需要分别由前轮或后轮驱动，必要时甚至可以四轮同时驱动，以便根据车轮与地面接触的不同情况来获得足够的动力。

拓展学习

用力传感器探究作用力和反作用力的关系

力传感器可以把它所受力的大小、方向随时间变化的情况，由计算机屏幕显示出来。

把两个互相钩着的力传感器，同时连在计算机上，其中，一个系在墙壁上固定，另一个握在手中（图3.3-6甲）。图3.3-6乙中上下两条图线分别表示两个力传感器受力的大小。用手拉一个力传感器，可以看到在一个力传感器受力的同时，另一个力传感器也同时受到力的作用，而且在任何时刻两个力的大小相等、方向相反。

两位同学各持一个力传感器，互相钩着。一人用力拉力传感器朝自己方向运动。从计算机屏幕可以看到，在运动的过程中，尽管力的大小随运动时间不断变化，但在运动中的任何时刻，作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。

物体受力的初步分析

分析物体的受力，有两条思路。一是根据物体运动状态的变化来分析和判断其受力情况，这是下一章学习的内容；二是根据各种力的特点，从相互作用的角度来分析物体的受力。下面我们先从后一思路来分析物体的受力情况，为力与运动关系的分析奠定必要的基础。在高中物理的力学部分，我们遇到的力主要是重力、弹力和摩擦力。

例如，一个木块静止在粗糙斜面上，我们按重力、弹力和摩擦力的顺序来分析它的受力情况。木块受到重力G，方向竖直向下；木块和斜面接触并相互挤压，木块受到垂直于斜面向上的弹力F_N；假设木块和斜面之间没有摩擦，木块就会向下滑动，由此可以判断，静止的木块相对斜面有向下滑动的趋势，所受的静摩擦力F_f是沿斜面向上的（图3.3-7）。

需要强调的是，必须明确我们是在分析哪个物体所受的力。在上面的例子中， 涉及木块的作用力和反作用力共有三对：重力G和木块对地球的引力、弹力F_N和木块对斜面的压力、静摩擦力F_f和木块对斜面的静摩擦力。由于我们是在对木块的受力情况进行分析，所以只把这六个力中木块所受的三个力画出来了。

在分析物体的受力情况时，不要把某个力的反作用力跟这个力的平衡力混淆。

例如，在图3.3-8甲中，猴子吊在空中，我们分析猴子所受的力。猴子受到重力G，还受到树枝对它的拉力F。由于猴子是静止的，而且不再受到其他力的作用，所以拉力F和重力G这两个力是一对相互平衡的力，它们“大小相等、方向相反，作用在同一条直线上”。应该注意，这两个力作用在同一物体（猴子）上。

另一方面，不但树枝在以拉力F向上拉着猴子，猴子同时也在以向下的拉力F′拉着树枝，这是一对作用力和反作用力，它们的关系也是“大小相等、方向相反，作用在同一条直线上”（图3.3-8乙）。但不同的是，它们分别作用在两个物体（猴子和树枝）上。

这两种情况，很容易混淆，因此要注意区分。

“一对相互平衡的力”和“一对作用力和反作用力”还有一个区别： 后者一定是同一种类的力（例如F和F′都是弹力），而前者则不一定是同一种类的力（例如F是弹力，而G是重力）。

练习与应用

本节共4道习题。第1题要求学生通过推理，证明静止在水平面上的物体受到的压力和重力大小相等。第2、3、4题要求学生进行受力分析，进一步理解一对平衡力和一对相互作用力的区别和联系，第4题还练习运用隔离法分析解决实际问题。

1．一个物体静止地放在台式弹簧秤上（图3.3-9），试证明物体对弹簧秤的压力大小等于物体所受的重力大小。证明时，请在图上标出所涉及的力。

参考解答：如图所示，物体受到重力和台式弹簧秤的支持力。物体静止在台式弹簧秤上，物体处于二力平衡状态，则物体所受的重力 G 与支持力 F_N 大小相等。因为物体所受的支持力 F_N 与物体对台式弹簧秤的压力 F_N ′ 是一对作用力与反作用力，根据牛顿第三定律有F_N = F_N′，所以压力 F_N 与重力 G 的大小相等。

2．小强说：“我记得在初中学过，如果两个力的大小相等、方向相反，这两个力就会互相平衡，看不到作用的效果了。既然作用力和反作用力也是大小相等、方向相反的，它们也应该互相平衡呀！”应该怎么解答小强的疑问？

参考解答：小强没有注意到，相互平衡的两个力是作用在同一个物体上的，而作用力和反作用力是分别作用在发生相互作用的两个物体上的，它们不可能是相互平衡的力。

3．如图3.3-10，油桶放在汽车上，汽车停于水平地面。涉及油桶、汽车、地球三个物体之间的作用力和反作用力一共有几对？这几对力中，油桶受哪几个力？汽车受哪几个力？地球受哪几个力？

参考解答：三者之间的作用力与反作用力有4对：①油桶对汽车的压力和汽车对油桶的支持力；②油桶受到的重力和油桶对地球的引力；③汽车对地面的压力和地面对汽车的支持力；④汽车受到的重力和汽车对地球的引力。

以油桶为研究对象，油桶受到重力和汽车对它的支持力。以汽车为研究对象，汽车受到重力、地面对它的支持力、油桶对它的压力。以地球为研究对象，地球受到汽车对它的压力、油桶和汽车对它的引力。

4．如图3.3-11，粗糙的长方体木块 A、B 叠在一起，放在水平桌面上，B 木块受到一个水平方向的力的牵引，但仍然保持静止。问 B 木块受到哪几个力的作用？

参考解答：以 B 为研究对象，在竖直方向受到重力、地面的支持力和 A 的压力。由于牵引后 A、B 仍然静止，所以 A 与 B 之间无摩擦力，B 与地面间有静摩擦力，故在水平方向 B 受到向右的牵引力和向左的静摩擦力。B 总共受到 5 个力的作用。

提示：以 A 为研究对象，判断 A、B 之间是否有摩擦力，再以 B 为研究对象进行受力分析。

发布时间：2019/11/6 下午7:52:45  阅读次数：6161