牛顿第三运动定律的深层次理解

樊弈璠

摘 要：本文首先简介了英国最伟大的科学家——牛顿以及其相应的贡献。随后对比分析了牛顿三大运动定律的异同点，最后重点阐述牛顿第三运动定律在我们生活中的应用。

关键词：牛顿；第三运动定律；作用力；反作用力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0244-02

艾萨克·牛顿作为英国最伟大的物理学家，数学家以及经济学家，对人类的历史发展做出了及其重要的贡献。牛顿的一生成果十分丰富，且其涉猎十分广泛。作为数学家，牛顿与莱布尼茨同时独立发现了高等数学的基础应用工具——微积分。同时，在其他数学领域，牛顿也建树颇丰，成功提出了“牛顿法”并有效的证明了广义的二项式定理，为随后幂级数的发展和研究做出了重大的贡献。作为经济学家，牛顿提出了以黄金为本位币的货币制度——金本位制度。这一举措有效的防止各国政府或着银行滥发纸币的权力，也有效避免了通货膨胀的危害。同时，这一举措也极大的促进了各国汇率制度的稳定，大大加强了国际贸易和国际投资的进行。作为物理学家，牛顿更加是一位多产的科学家。在光学领域，牛顿发明了反射望远镜，并提出和发展了著名的颜色理论，同时也阐释了冷却定律。在力学领域，牛顿通过系统研究物体动量与其角动量守恒的关系，通过总结前人的基础研究，系统的发展了著名的牛顿运动定律，成为其一生最为辉煌的成就。这一重大的发现和发展奠定了随后三百余年的经典力学史观，为物理学的发展做出了不可磨灭的贡献。

1 牛顿运动定律简介

牛顿运动定律作为一条经典力学领域最重要的定律之一，是牛顿通过总结前人的研究成果，并通过合理的实验验证并发展而来的。这一定律最先总结在《自然哲学的数学原理》一书中[1]。这一定律目前在研究宏观以及低速世界的运动变化中非常实用，也是我们高中物理课本中一条必学的运动定律。这一运动定律不仅是高中物理考试的重点和难点，也是日常生活中应用的重点和难点。这一定律只要包括以下三个部分：分别是牛顿第一运动定律，牛顿第二运动定律以及牛顿第三运动定律，这三条运动定律所研究的侧重点有所不同。这些异同点总结于表1中。

从表1中可以看出，这三大牛顿运动定律对力的作用机制完全不同。例如，牛顿第一运动定律指出，力是改变物体运动状态的基本原因，也就是说，只有对物体施加作用力才能使物体的运动状态改变，否则物体的运动状态将不会改变，即物体将维持原来的运动状态。而对于牛顿第二运动定律而言，力是使物体获得加速度的基本原因。只要通过施加一定的作用力才能使物体获得加速度，明确了力的作用效果是使物体产生加速度。而对于牛顿第三运动定律而言，指出力是物体间的相互作用的基本原因，也就是说力是物体间的相互作用，而不是仅仅是指单一物体。这一观点在表1中也可以看出，牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律是作用在同一物体上而进行研究的，而牛顿第三运动定律与牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律有着本质的区别，它是作用在不同物体上的，有了作用力就会有反作用力。而这三种牛顿运动定律的共同点在于都适用于宏观且低速运动的物体，也就是说对于高速运动下的微观物体将不再适用，如电子，光子等运动就不符合经典的牛顿运动定律，而需要相关的相对论方面的知识来解析。基于这一些列原因，这三大牛顿运动定律便共同构成了经典力学的基础框架。在我们高中物理的学习中，我们只要侧重于把牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律作为学习的重点和难点。而往往忽略对牛顿第三运动定律的学习，老师在课堂上对这一定律的讲解也只是一笔带过。但是在我们生活中，牛顿第三运动定律应用对于其他两大牛顿运动定律一样，都十分广泛，因为在现有的体系中不存在作用力只仅仅作用在单一物体上。基于这一概念的解析，深层次理解牛顿第三运动定律的作用机制以及作用效果非常关键，也非常重要。

2 牛顿第三定律的作用机制

在深层次理解和运用牛顿第三运动定律之前，我们首先要明确牛顿第三运动定律的基本概念和相应的作用机制。从上面第二部分在对比这三大牛顿运动定律的时候，我们已经明确，力是物体间的相互作用的基本原因，而目前教科书上的经典定义为：两个物体之间的作用力和反作用力，总是在同一直线上，且这两个作用力的大小相等，方向相反。从这一基本的概念出发，我们可以把这一概念细分为以下五个部分：（1）力的作用是相互的，不是单独存在的，这意味着这样的作用力是同时出现，同时消失，不存在先后顺序。（2）相互作用力一定是相同性质的力，否则物体间的相互作用力将不再相等。（3）作用力和反作用力是作用在两个物体上，产生的作用力不能相互抵消。这一点说明力总是成对出现的。（4）作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照体系的不同。这意味着作用力和反作用力可以在一定的条件下互相转换。（5）作用力和反作用力是作用在不同物体上的，因而无法获得相应的合力，也就是说在谈论第三牛顿运动定律的时候是没有平衡力这一概念的。这一点也是牛顿第三运动定律和其他两大牛顿运动定律的本质区别。在理解这些的基础上，我们可以通过牛顿第三运动定律来解释日常的生产生活中的现象。例如：对于鼓掌这一现象，我们日常生活中常常会碰到，这一现象遵循牛顿第三运动定律。当我们轻轻鼓掌的时候，手掌并不会感到疼痛；但是当我们非常用力来鼓掌的时候，我们发现我们的左右手掌都会感到剧烈的疼痛，但是一段时间过后，手掌就没有感觉了。这是因为，我们施加的作用力增加，其反作用力也相应的增加。这就好比我们的左手对右手施加作用力增加，那么我们的右手对左手施加的反作用力也相应的增加。同時，如果我们也更换参照体系，也可以这样理解，当我们的右手对左手施加作用力增加，那么我们的左手对右手施加的反作用力也相应的增加。左右手相应的体系发生了变化，但最终的参照效果是不变的。这一实例非常典型的说明，物体间力的作用力总是相互的，且同时出现以及同时消失。在一定条件下，作用力和反作用力可以相互转换。这样的例子比比皆是，当我们用手掌拍打墙壁的时候，越是用力拍打墙壁，手掌就会越感到疼痛。这同样是由于手掌对墙壁施加的一定的作用力。虽然我们的肉眼看不到墙壁发生的任何变化，但是由于作用力与反作用力的关系，墙壁也对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，我们的手掌才会感到疼痛，特别是拍墙壁的作用力越大，手掌就越感到疼痛[2]。从这一实施例来看，牛顿第三运动定律在生活中非常实用。但是，我们通过细心观察发现，很多现象似乎有违第三牛顿运动定律。当我们把一个鸡蛋防置在地面上，显然鸡蛋没有发生任何变化。但是，当我们把这个鸡蛋拿到一定的高度然后掉下来，发现鸡蛋落到地面后碎了。这一问题，我们觉得难以用牛顿第三运动定律来解决，好像不符合牛顿第三运动定律。因为，对于同一个鸡蛋而言，其重力是恒定的。这也就意味着鸡蛋对地面的作用力是恒定的。如果遵循牛顿第三运动定律，那么地面对鸡蛋的反作用力也是恒定的。那又为何鸡蛋呈现不同的表现形式呢？放置在地面上的鸡蛋没有破裂，而高处落下的鸡蛋破裂了。同样的情况，也发生在我们与大力士进行掰手腕的时候，虽然我们与大力士的作用力大小有所不同，但是依据牛顿第三运动定律可知，物体间力的作用是相互的，且总是大小相等，方向相反的。也就是说，当以我们的手作为参考体系，无论大力士对我们的手施加多大的力，我们的手将反作用于大力士多大的力。同样，以大力士的手作为研究对象，其情况也是类似的。无论我们的手对大力士施加多大的作用力，大力士的手将反作用于相同的作用力于我们的手。但是，在实际的作用效果却截然不同。往往我们的手感到剧烈的疼痛，而大力士的手却没有任何感觉。至于这其中的原因在于，我们的手承受力的能力较小，因而在相同的作用下容易感到剧烈的疼痛。同样，对于从高处落下的鸡蛋，因为鸡蛋在落到地面的瞬间已经产生一个非常大的速度，因而产生了非常大的冲量，而放在地面上的鸡蛋对地面的冲量几乎为零。因此，正式基于这一原因，虽然地面对鸡蛋的反作用力相同，但高处落下的鸡蛋还是碎了。这些所有的实施例表明，只有认真仔细的观察生活，才能准确生动的反映生活。相信，只要我们熟练掌握牛顿第三运动定律的基本点，那么我们就可以运用这一定律来解决日常生活中的问题。

3 结语

牛顿第三运动定律作为基本的牛顿三大运动定律之一，在我们日常生活中的方方面面都有涉及。通过深层次理解牛顿第三运动定律将使我们更好的去观察生活和反映生活，体验生活中的美。

参考文献

[1]张维善.牛顿运动定律的历史追问与现实教学[J].物理教学探讨，2011，29（5）：1-6.

[2]盛一恒.牛顿运动定律在生活中的存在与应用[J].文理导航，2018，2（293）：43.