第三章3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?

问题插图

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。

图3.3-1
图3.3-1 弹簧和手受力示意图
图3.3-2
图3.3-2 地球和人造卫星受力示意图

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)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′。FF′有什么关系呢?

图3.3-3
图3.3-3 实验装置示意图

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。

图3.3-4
图3.3-4 划龙舟

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。

图3.3-5
图3.3-5 汽车受驱动力的示意图

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。

图3.3-6
图3.3-6 作用力和反作用力的关系

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FN;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Ff是沿斜面向上的(图3.3-7)。

图3.3-7
图3.3-7 斜面上物体受力示意图

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FN和木块对斜面的压力、静摩擦力Ff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。

图3.3-8
图3.3-8 平衡力与作用力、反作用力的区别

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FF′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

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。

图3.3-9
图3.3-9

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?

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?

图3.3-10
图3.3-10

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?

图3.3-11
图3.3-11
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发布时间:2019-11-6 19:52:45  阅读次数:57

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