剖析牛顿第三定律的内涵分辨相互作用力与平衡力

■梅砚君

牛顿第三定律是关于作用力与反作用力关系的定律,涉及牛顿第三定律的试题通常以选择题的形式出现,考查同学们对作用力与反作用力的理解和应用。下面我们深入理解牛顿第三定律的内涵,深度辨析相互作用力与平衡力的关系,以期达到帮助同学们突破知识难点,拓展牛顿第三定律在新情境下的应用的目的。

一、深入理解牛顿第三定律的内涵

1.物体间力的作用是相互的,即无论引力的作用、弹力的作用还是摩擦力的作用都是相互的。

2.物体间相互作用的一对力,其中一个力称为作用力,另外一个力称为反作用力。需要明确的是:(1)只要有力发生,就一定有受力物体和施力物体;(2)物体间力的作用是相互的,说明力是成对出现的;(3)作用力与反作用力是相对的,如果定义相互作用的一对力中的一个力是作用力,则另一个力就是反作用力。

3.牛顿第三定律的内涵可以概括为:四同、三异、三无关。“四同”是指对于任何物体,无论何时、何地、何种情况、何种条件下,作用力和反作用力同大小,同性质,同一条直线,同时产生、变化和消失,没有先后主次之分。“三异”是指作用力和反作用力具有反向性(方向相反)、异体性(作用在彼此相互作用的两个物体上)和不同效果(两个力的作用效果不同且不能抵消)。“三无关”是指作用力和反作用力与物体的种类无关、与物体的运动状态无关、与有无其他物体参与作用无关。

例1 用计算机辅助实验系统做验证牛顿第三定律的实验,点击实验菜单中“力的相互作用”,把两个力探头的挂钩钩在一起,向相反方向拉动,观察显示器屏幕上出现的结果如图1 所示,观察分析两个力传感器的相互作用力随时间变化的曲线,可以得到以下实验结论( )。

A.作用力与反作用力时刻相同

B.作用力与反作用力作用在同一物体上

C.作用力与反作用力大小相等

D.作用力与反作用力方向相反

图1

由图1可知,作用力和反作用力的图像关于时间t 轴对称,说明作用力和反作用力的大小时刻相等,即同时增大,同时减小,变化完全一样。因为图像中的正、负表示方向,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体上。

答案：CD

二、深度辨析相互作用力与平衡力的关系

作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。一对平衡力也是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。因此同学们容易将作用力和反作用力与一对平衡力混淆,为了明确二者之间的区别,现将它们的异同点总结在表1中。

表1

判断一对力是不是作用力和反作用力,主要看两方面:一是看受力物体,作用力和反作用力应作用在两个相互作用的物体上,即有两个作用点;二是看产生原因,作用力和反作用力是由于相互作用而产生的,一定是同一种性质的力。

例2 如图2 所示,用轻绳L1和L2将A、B 两重物悬挂起来,下列说法中正确的是( )。

图2

A.轻绳L1对重物A 的拉力和轻绳L2对重物A 的拉力是一对平衡力

B.轻绳L2对重物A 的拉力和轻绳L2对重物B 的拉力是一对作用力和反作用力

C.轻绳L2对重物B 的拉力和重物B 受到的重力是一对作用力和反作用力

D.轻绳L2对重物B 的拉力和重物B 对轻绳L2的拉力是一对作用力和反作用力

重物A 受到重力、轻绳L1的拉力和轻绳L2的拉力处于平衡状态,故轻绳L1对重物A 的拉力和轻绳L2对重物A 的拉力不是一对平衡力,选项A错误。轻绳L2对重物A 的拉力和轻绳L2对重物B 的拉力,施力物体相同,故不是一对作用力和反作用力,选项B 错误。重物B受到重力和轻绳L2的拉力处于平衡状态,故轻绳L2对重物B 的拉力和重物B 受到的重力是一对平衡力,选项C错误。轻绳L2对重物B 的拉力和重物B 对轻绳L2的拉力是一对作用力和反作用力,选项D 正确。

答案：D

例3 一斜面体固定在水平地面上,一物体静止在斜面上,下列说法中正确的是( )。

B.物体对斜面的摩擦力和斜面对物体的摩擦力是一对作用力和反作用力

C.物体所受重力和斜面对物体的作用力是一对作用力和反作用力

D.物体所受重力和斜面对物体的支持力是一对平衡力

错解：若不理解一对作用力和反作用力与一对平衡力的区别,仅从大小是否相等及方向是否相反作出简单的判定,易错选A、C或D。

正解：A 项中,两个力的性质相同(均为弹力),并分别作用在两个物体上,是一对作用力和反作用力,而不是一对平衡力,错误。B项中,两个力是同一性质的力,并分别作用在两个物体上,是一对作用力和反作用力,正确。物体所受重力的施力物体是地球,重力的反作用力应作用在地球上,斜面对物体的作用力作用在物体上。C 项中,两个力的作用对象都是物体,而且斜面对物体的作用力(摩擦力与支持力的合力)与重力是不同性质的力,不是一对作用力和反作用力,错误。D项中,重力的方向竖直向下,斜面对物体的支持力垂直于斜面向上,这两个力的方向不在同一条直线上,不是一对平衡力,错误。

答案：B

1.2018年12月8 日2 时23 分,搭载着“嫦娥四号”探测器的“长征三号乙”运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射。2019 年1月3日10时26分,“嫦娥四号”成功着陆在月球背面,成为世界上第一个在月球背面实现软着陆和巡视探测的探测器,这是人类航天史上的伟大壮举。下面有关说法中正确的是( )。

A.运载火箭尾部向下喷气,喷出的气体对火箭产生作用力,从而让火箭获得了向上的推力

针对A股长期存在停复牌乱象，监管层已经在持续发力。2016年沪深交易所分别发布《上市公司筹划重大事项停复牌业务指引》《上市公司停复牌业务备忘录》，此后沪市上市公司停牌频次逐年降低、停牌时长整体压缩，停复牌问题得到了进一步的规范。

B.运载火箭飞出大气层后,由于没有空气,火箭虽然向后喷气,但是无法获得前进的动力

C.运载火箭尾部喷出的气体对空气产生一个作用力,空气的反作用力使火箭获得飞行的动力

D.“嫦娥四号”探测器离开地球大气层朝月球飞行的过程中,与地球之间不再存在相互作用力

2.我国有一种传统的民族体育项目叫“押加”,实际上相当于两个人拔河。如果甲、乙两人在“押加”比赛中,甲获胜,那么下列说法中正确的是(不计绳子质量)( )。

A.甲对乙的拉力大小始终大于乙对甲的拉力大小

B.甲对乙的拉力大小始终等于乙对甲的拉力大小

C.当甲把乙加速拉过去时,甲对乙的拉力大小大于乙对甲的拉力大小

D.只有甲把乙匀速拉过去时,甲对乙的拉力大小才等于乙对甲的拉力大小

3.“以卵击石,卵碎石全。”下列关于卵、石之间作用力的表述中不正确的是( )。

A.鸡蛋是运动的,石头是静止的,因此鸡蛋对石头的作用力大于石头对鸡蛋的作用力

B.鸡蛋碎了,而石头没有碎,因此鸡蛋对石头的作用力小于石头对鸡蛋的作用力

C.鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力大小相等

D.鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力是一对平衡力

4.一个大人和一个小孩站在水平地面上手拉手比力气,结果大人把小孩拉过来了。对这个过程中作用于双方的力的关系,下列说法正确的是( )。

A.大人拉小孩的力一定比小孩拉大人的力大

B.大人与小孩间的拉力是一对作用力与反作用力

C.大人拉小孩的力与小孩拉大人的力大小一定相等

D.只有在大人把小孩拉动的过程中,大人的力才比小孩的力大,在可能出现的短暂相持过程中,两人的拉力一样大

参考答案：

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