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2017-2018物理教科版必修1教学案:第三章 第4节 牛顿第三定律

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                            第 4 节         牛顿第三定律


                    1.相互作用在物体间的两个力互称为作用力和反
                                      作用力。

                                   2.两个物体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。

                                  3.作用力和反作用力一定作用在相互作用的两个
                                     物体上,且力的性质相同。

                                   4.作用力和反作用力同时产生,同时变化,同
                                      时消失。


    一、作用力与反作用力

    1.力的相互性
    力是物体对物体的作用,一个力一定同时存在着受力物体和施力物体。

    2.作用力和反作用力:两个物体间相互作用的一对力,其中的任一个叫作用力,另一
个就叫反作用力。
    二、牛顿第三定律

    1.内容:两个物体之间的作用力(F)和反作用力(F′)总是大小相等、方向相反,且作
用在同一条直线上。

    2.公式:F=-F′,其中           F、F′分别表示作用力与反作用力,“负号”表示作用力
与反作用力的方向相反。

    3.理解:作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上,它们总是性质相同的两个
力,且同时存在,同时变化,同时消失。
    三、反冲现象

    1.定义:当物体中的一部分向某方向抛出时,其余部分就会同时向相反方向运动的现
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象。

    2.实例:火箭升空,枪发射子弹,乌贼的游动等。


    1.自主思考——判一判
    (1)一个物体受几个力作用,则一定存在几个反作用力。(√)
    (2)两个物体只有接触才存在作用力和反作用力。(×)
    (3)相互作用的一对力中,称哪一个力为作用力是任意的。(√)
    (4)只要大小相等、方向相反的同一条直线上的两个力就是一对作用力和反作用力。(×)
    (5)作用力是弹力,反作用力可能是摩擦力。(×)
    (6)手枪发射子弹时,当子弹飞离枪筒后,子弹与枪身不再存在作用力。(√)
    2.合作探究——议一议

    (1)“掰手腕”是比较臂力大小的一种常见比赛。在一次“掰手腕”比赛中,甲轻松地
战胜了乙,是否是因为甲对乙的作用力大于乙对甲的作用力?
    [提示] 不是。甲、乙两手间的力为作用力与反作用力,根据牛顿第三定律可知,这
两个力大小相等,甲之所以胜了乙,那是因为甲手腕能承受的力大于乙手腕能承受的力。

    (2)中国现在已经是探索地外星球的第三软着陆国家,将来还可能建立月球基地。试想
直升机能否作为月球上的交通工具?
    [提示] 月球上没有空气,直升机无法依靠螺旋桨得到升力,无法飞行。

    (3)先把一个力传感器固定在物体上,两个传感器的钩子相互钩在一起。钩子受力的大
小随时间变化的情况可由计算机屏幕显示,如图                    3­4­1 所示,分析计算机屏幕显示的图像,
可得出怎样的结论?


                                     图  3­4­1
    [提示] 分析计算机屏幕显示的图像,可得出两个物体之间的作用力和反作用力在任
何时刻总是大小相等、方向相反的结论。
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                                       对牛顿第三定律的理解


    1.作用力和反作用力的          3 个特征和    4 种性质
    (1)3 个特征
    ①等大:即大小总是相等的。
    ②反向:即方向总是相反的。
    ③共线:即二者总是在同一直线上。

    (2)4 种性质
    ①异体性:即作用力和反作用力是分别作用在彼此相互作用的两个物体上。
    ②相互性:即作用力和反作用力总是相互的、成对出现的。
    ③同时性:即作用力和反作用力同时产生,同时变化,同时消失。
    ④同性性:即二者性质总是相同的。

    2.作用力与反作用力和平衡力的比较
                        作用力与反作用力                            平衡力
     共同点                      大小相等、方向相反、作用在同一直线上
          受力
                       两个相互作用的物体                          同一个物体
          物体
          作用     同时产生,同时变化,同时消失,
                                                     不一定同时产生或消失
          时间     不可单独存在
不同点
          力的
                              相同                          不一定相同
          性质
          作用     作用在两个物体上,各自产生作                 一对平衡力的合力为零,作用效
          效果     用效果,不能求合力                      果抵消


    [典例] 如图     3­4­2 所示,甲、乙两人在冰面上“拔河”。两人中间位置处有一分界线,
约定先使对方过分界线者为赢。若绳子质量不计,冰面可看成光滑的,则下列说法正确的

是(  )
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                                     图  3­4­2
    A.甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平衡力
    B.甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作用力与反作用力
    C.若甲的质量比乙的大,则甲能赢得“拔河”比赛的胜利
    D.若乙收绳的速度比甲的快,则乙能赢得“拔河”比赛的胜利
    [审题指导] 解答本题时应把握以下三点:
    (1)绳子质量不计;
    (2)冰面可看成光滑的;
    (3)该拔河比赛中取胜的关键是加速度小,在相等的时间内位移小。

    [解析] 根据牛顿第三定律知甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对作用力与反作用力,
选项   A 错误;因为甲对绳的拉力和乙对绳的拉力都作用在绳上,故选项                          B 错误;绳对甲、
乙的拉力大小相等,由于甲的质量大,加速度小,相同时间内的位移小,故甲会胜利,选
项  C 正确,D   错误。

    [答案] C

    一对作用力和反作用力与一对平衡力的最直观的区别是平衡力作用在同一个物体上,
作用力和反作用力作用在两个物体上;还可以看两个力的性质是否相同来判断。

                                   
    1.如图  3­4­3 所示,一匹马拉着车前行,关于马拉车的力和车拉马的力的大小关系,下
列说法中正确的是(  )


                                     图  3­4­3
    A.马拉车的力总是大于车拉马的力
    B.马拉车的力总是等于车拉马的力
    C.加速运动时,马拉车的力大于车拉马的力
    D.减速运动时,马拉车的力小于车拉马的力
    解析:选    B 马向前拉车的力和车向后拉马的力是一对作用力与反作用力,它们总是
大小相等、方向相反,加速运动或者减速运动时,马向前拉车的力都等于车向后拉马的力,
故  A、C、D   错误,B    正确。

    2.(多选)如图     3­4­4 所示,P、Q   叠放在一起,静止在水平桌面上,在下列各对力中,
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属于作用力和反作用力的有(  )


                                     图  3­4­4
    A.P  所受的重力和      Q 对  P 的支持力
    B.Q  所受的重力和      Q 对  P 的支持力
    C.P  对  Q 的压力和    Q 对 P 的支持力
    D.Q  对桌面的压力和桌面对          Q 的支持力
    解析:选    CD 作用力和反作用力一定是两个物体之间的相互作用力,并且大小相等,
方向相反,同时产生同时消失,满足牛顿第三定律;而平衡力是同一个物体受到的两个力,
不会同时产生和消失。P          所受到的重力和       Q 对  P 的支持力,很显然,这两个力都作用在一
个物体   P 上,它们是一对平衡力,故            A 错误;作用力和反作用力是同时产生同时消失的,
当把   P 从 Q 的上面去掉之后,Q        对 P 的支持力没了,但        Q 受到的重力仍然存在,所以它
们不是作用力和反作用力,故             B 错误;P   对  Q 的压力和    Q 对 P 的支持力,它们是两个物
体之间的相互作用力,是一对作用力和反作用力,故                      C 正确;Q    对桌面的压力和桌面对
Q 的支持力,它们是两个物体之间的相互作用力,是一对作用力和反作用力,故                                 D 正确。

                                         牛顿第三定律的应用


    [典例] 如图     3­4­5 所示,质量为    M  的平板小车放在倾角为          θ 的光滑斜面上(斜面固定)
,一质量为     m 的人在车上沿平板向下运动时,小车恰好静止,求人的加速度。


                                     图  3­4­5
    [审题指导]
    (1)小车静止,合力为零,人对小车有沿斜面向上的摩擦力。
    (2)小车对人有沿斜面向下的摩擦力,对人受力分析求得合外力,再由牛顿第二定律可
求人的加速度。

    [解析] 小车静止在斜面上,对小车进行受力分析如图甲所示,根据合力为零得                                f′-
Mgsin θ=0,
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    人的受力情况如图乙所示,根据牛顿第二定律得                    f+mgsin θ=ma,
                                    M+m
    根据牛顿第三定律得         f′=f,解得     a=  m  gsin θ。
           M+m
    [答案]     m  gsin θ

    在对物体进行受力分析、应用牛顿第二定律解题时,如果涉及作用力与反作用力,应
明确指出应用牛顿第三定律的过程,否则,解题过程不完整且可能因此失分。    


    1.如图  3­4­6 所示,质量为     m1 的木棒用细线悬挂在天花板上,套在木棒上的质量为

m2 的金属环正以加速度         a 沿木棒加速下滑,此时悬挂木棒的细线对天花板的拉力大小为(  )


                                     图  3­4­6

    A.(m1+m2)g

    B.m1g+m2a

    C.(m1-m2)g+m2a

    D.(m1+m2)g-m2a
    解析:选    D 对金属环受力分析,金属环受到重力和木棒给的向上的摩擦力,根据牛

顿第二定律可得:m2g-f=m2a,对木棒受力分析,木棒受到重力、拉力、金属环给的向
下的摩擦力,因为金属环和木棒间的摩擦力是一对相互作用力,所以大小相等,木棒静止,

所以有   m1g+f=T,两式联立可得         T=(m1+m2)g-m2a,D     正确。
    2.置于水平面上的小车上,有一弯折成角度                 α 的细杆,如图      3­4­7 所示,细杆另一端固
定了一个质量为       m 的小球。当小车以加速度           a 向左加速前进时,小球对细杆的作用力为多
大?方向如何?
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                                     图  3­4­7
    解析:以小球为研究对象,小球受到重力                  mg 和细杆对它的作用力        F,将   F 沿

水平方向和竖直方向分解,水平分力为                 Fx,竖直分力为      Fy,如图所示。由牛顿第
二定律可知

    Fy-mg=0,Fx=ma,
    故细杆对小球的作用力
    F=  Fx2+Fy2=   ma2+mg2=m     a2+g2,
            Fx        ma       a
    θ=arctanFy=arctanmg=arctang,
    由牛顿第三定律可得,小球对细杆的作用力的大小为                      F′=F=m     a2+g2,
                             a
    方向与竖直方向夹角为          arctang,斜向右下方。
                                             a
    答案:m    a2+g2 方向与竖直方向夹角为            arctang,斜向右下方


    1.关于两个物体间作用力与反作用力的下列说法中,正确的是(  )
    A.有作用力才有反作用力,因此先有作用力后产生反作用力
    B.作用力与反作用力的性质一定相同
    C.作用力与反作用力只存在于相互接触的两个物体之间
    D.只有两个物体处于平衡状态中,作用力与反作用力才大小相等
    解析:选    B 作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,同时产生同时消失,是同
一性质的力,两个物体不相互接触也可以产生作用力与反作用力,两个物体处于平衡状态
和非平衡状态,作用力与反作用力大小均相等,故选项                       B 正确。

    2.以卵击石,鸡蛋碎,石头完好无损,以下判断正确的是(  )
    A.鸡蛋碎了,说明鸡蛋受到的撞击力大
    B.石头完好无损,说明石头受到的撞击力小
    C.鸡蛋和石头受到的撞击力一样大
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    D.必须用仪器检测才知道谁受到的撞击力大
    解析:选    C “以卵击石”,鸡蛋被碰破,而石头却完好无损,不是因为鸡蛋受到的
力大,而是因为鸡蛋的硬度小,它们受到的力是相互作用力,相互作用的两个力,大小一
定相等,故选      C。

    3.(多选)飞船是一种运送航天员、货物到达太空并能安全返回的一次性使用的航天器;
火箭可作为快速远距离的运载工具。下面关于飞船和火箭升空情况的叙述正确的是(  )
    A.火箭尾部向外喷气,喷出的气体对火箭产生一个向上的推力
    B.火箭受的推力是由于喷出的气体对空气产生一个作用力,空气的反作用力作用于
火箭而产生的

    C.火箭飞出大气层后,由于没有了空气,火箭虽向后喷气,也不会产生推力
    D.飞船进入轨道后,和地球间存在一对作用力和反作用力
    解析:选    AD 火箭尾部向外喷气,给喷出的气体一个作用力,而喷出的气体给火箭一
个反作用力,火箭就是因为受到这个反作用力(推力),才克服空气阻力向前飞行的,A                                  正
确,B、C    错误;飞船进入轨道后,与地球间存在相互吸引的作用力,D                          正确。

    4.人站在地面上,先将两脚弯曲,再用力蹬地,向上跳离地面。人能跳离地面的原因
是(  )
    A.人对地面的作用力大于地面对人的作用力
    B.地面对人的作用力大于人对地面的作用力
    C.地面对人的作用力大于人的重力
    D.人除受地面的弹力外,还受到一个向上的力
    解析:选    C 人用力蹬地时,人对地面的作用力和地面对人的作用力是一对作用力与
反作用力,大小相等,方向相反。之所以会跳离地面是因为地面对人的作用力大于人的重
力,故   C 正确。

    5.如图  1 所示,吊在大厅天花板上的电扇所受重力为                  G,静止时固定杆对它的拉力为
F,扇叶水平转动起来后,杆对它的拉力为                  F′,则(  )


                                       图 1
    A.F=G、F=F′
    B.F=G、F<F′
    C.电扇静止时,固定杆对它的作用力等于它对固定杆的作用力
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    D.电扇水平转动后,固定杆对它的作用力小于它对固定杆的作用力
    解析:选    C 电扇不转时,显然有          F=G,而扇叶转动起来后,向下吹风,对空气有向
下的作用力,根据牛顿第三定律,空气对叶片有向上的作用力,此时杆对电扇的拉力

F′<G,得     F′<F,A、B      错误;固定杆对电扇的作用力与电扇对固定杆的作用力为一
对作用力和反作用力,故两者总是等大反向,C                    正确,D    错误。

    6.如图  2 所示,有人用一簇气球通过绳使一座小屋成功升空,成为“会飞的小屋”。
下列说法正确的是(  )


                                       图 2
    A.小屋受到绳的拉力和小屋对绳的拉力是一对作用力和反作用力
    B.小屋受到绳的拉力和小屋所受重力是一对作用力和反作用力
    C.小屋对绳的拉力和小屋所受重力是一对作用力和反作用力
    D.小屋对绳的拉力和小屋所受重力是一对平衡力
    解析:选    A 小屋受到绳的拉力和小屋对绳的拉力是一对作用力和反作用力,故                             A 正
确;小屋受到绳的拉力和小屋所受重力的受力物体都是小屋,不是作用力和反作用力,故
B 错误;小屋对绳的拉力的施力物体是小屋,受力物体是绳子,小屋所受重力的施力物体
是地球,受力物体是小屋,不是作用力和反作用力,也不是平衡力,故                              C、D  错误。


    7.如图   3 所示,台秤上放一个装有水的容器,有一个金属球挂在弹簧测力计下面,现
将金属球浸没在水中,比较在金属球浸入水中前、后的情况(  )


                                       图 3
    A.弹簧测力计的示数减小,台秤的示数不变
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    B.弹簧测力计的示数不变,台秤的示数增加
    C.弹簧测力计的示数减小,台秤的示数增大,且减少的示数等于增加的示数
    D.弹簧测力计的示数增大,台秤的示数减小,且增加的示数等于减少的示数
    解析:选    C 当金属球浸入水中后,受到向上的浮力作用,故弹簧测力计的示数减小;
由牛顿第三定律,在水对球有向上的浮力的同时,金属球对水有向下的作用力,这两个力
大小相等,方向相反,故使得台秤的示数增大,且弹簧秤减少的示数等于台秤增加的示数,
选项   C 正确。

    8.建筑工人用如图       4 所示的定滑轮装置运送建筑材料。质量为                 70.0 kg 的工人站在地面
上,通过定滑轮将        20.0 kg 的建筑材料以     0.500 m/s2 的加速度拉升,忽略绳子和定滑轮的质
量及定滑轮的摩擦,则工人对地面的压力大小为(g                    取  10 m/s2)(  )


                                       图 4
    A.510 N                         B.490 N
    C.890 N                          D.910 N
    解析:选    B 对建筑材料进行受力分析,根据牛顿第二定律有                     F-mg=ma,得绳子的
拉力大小    F=210  N;然后对人进行受力分析,由平衡条件得                  Mg=F+N,得地面对人的支
持力   N=490 N,根据牛顿第三定律可知,人对地面的压力大小为                      490 N。


    9.在滑冰场上,甲、乙两小孩分别坐在滑冰板上,原来静止不动,在相互猛推一下后
分别向相反方向运动。假定两板与冰面间的动摩擦因数相同,已知甲在冰上滑行的距离比

乙远,这是由于(  )
    A.在推的过程中,甲推乙的力小于乙推甲的力
    B.在推的过程中,甲推乙的时间小于乙推甲的时间
    C.在刚分开时,甲的初速度大于乙的初速度
    D.在分开后,甲的加速度的大小小于乙的加速度的大小
    解析:选    C 在推的过程中,甲推乙的力和乙推甲的力是一对作用力和反作用力,根
据牛顿第三定律,作用力和反作用力大小相等,方向相反,故                          A 错误;作用力与反作用力
具有等时性,故       B 错误;分开后,两人受到的合力都是摩擦力,根据牛顿第二定律,a=
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F合
 m ,所以甲、乙的加速度大小相等,由运动学公式-2μgx=0-v2                       知,刚分开时,甲的初
速度大于乙的初速度,故           C 正确,D    错误。

    10.将重力均为     G 的两个磁环     A、B  先后套在光滑的木支架上,并使两磁环相对面的极
性相同,此时可以看到上方的磁环               A“悬浮”在空中,如图          5 所示。设磁环      B 对木支架底

座的压力为     F1;B  对 A 的排斥力为     F2,关于这些力的大小关系正确的是(  )


                                       图 5

    A.F1>2G F2=G                      B.F1=2G F2=G

    C.F1>2G F2>G                     D.F1=2G F2>G

    解析:选    B 对于磁环     A,受到重力      G 和磁环   B 对磁环   A 的排斥力    F2,根据平衡条件

可知,F2=G;对于磁环          B,受到重力     G、磁环    A 对磁环   B 的排斥力    F2′及木支架底座对

磁环   B 的支持力    F1′的作用,根据平衡条件得,F1′=F2′+G,根据作用力与反作用力

关系知   F1=F2+G,则有      F1=2G,选项     B 正确。
    11.一个质量为      75  kg 的人,站立在水平地面上,某一瞬间突然竖直跳起,已知刚跳
起时速度为     3.0 m/s,起跳时间为      0.5 s,求此人在起跳瞬间对地面的压力的平均值。(人的
运动近似看做匀加速运动,g            取 10 m/s2)
    解析:以人为研究对象,人在起跳瞬间只受到重力和支持力,如图所示。起跳瞬
                                                        v  3.0
间,人的运动可等效成初速度为零的匀加速运动,其加速度为                          a=t=0.5 m/s2=6 m/s2
    据牛顿第二定律得        N-mg=ma
    故 N=m(g+a)=75×(10+6)N=1 200 N
    据牛顿第三定律知,人对地面的平均压力为                  1 200 N,方向与    N 方向相反,竖直向下。

    答案:1 200 N 竖直向下
    12.如图  6 所示,跨过定滑轮的细绳的一端挂一吊板,另一端被吊板上的人拉住,已知
人的质量为     70 kg,吊板的质量为       10 kg,绳及定滑轮的质量、滑轮的摩擦均可不计,取重
力加速度    g=10   m/s2。当人以   440 N 的力拉绳时,人与吊板的加速度和人对吊板的压力分
别为多少?
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                                       图 6
    解析:以人和吊板组成的整体为研究对象,人以                    440  N 的力拉绳时,该整体受到两个
向上的拉力均为       440 N,受到重力的大小为         700 N+100  N=800  N,其合力为      880 N-800 
N=80 N,由牛顿第二定律         F=ma,得     a=1.0 m/s2。再以人为研究对象,人受到重力              mg=
700 N,受到吊板的支持力          N 及绳对其向上的拉力         T=440  N,由牛顿第二定律得          T+N-
mg=ma,解得     N=330   N。根据牛顿第三定律,人对吊板的压力                 N′与吊板对人的支持力
等大反向,故      N′=330 N。

    答案:1.0 m/s2 330 N
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