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牛顿第三定律

Physics Interaction Mode

公式卡

文字陈述

两个物体之间的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;它们同时产生、同时消失,分别作用在两个不同物体上,因此永远不能相互抵消。

单位与量纲

F₁₂、F₂₁:牛顿(N),二者大小相等、方向相反;m:千克(kg)。式中的负号只表示方向相反,不影响力的单位大小。

使用顺序

先看演示,再调参数,最后看例题和小测。

物理相互作用模式:作用力与反作用力

试试看

1操作:把“作用力大小 F”从 12 N 缓慢拉到 30 N,观察两个物体各自的受力显示。 观察:两个力怎样变化?始终满足什么关系?看提示

参考:两个力同步增大,且始终大小相等(同为 30 N)、方向相反——作用力与反作用力的等大反向关系不随力的大小改变。

2操作:把“物体 A 质量”从 3 kg 拉到 9 kg,“作用力大小 F”保持 12 N 不变。 观察:两个相互作用力的大小变了吗?质量的改变实际影响的是什么?看提示

参考:相互作用力仍是 12 N,与质量无关;质量改变影响的是各自的加速度(同一 12 N 下 3 kg 物体加速度是 9 kg 物体的 3 倍),说明力相同但运动效果可以不同。

3操作:固定“作用力大小 F”=12 N,把“接触弹性系数”从 2.5 调到 0,再调回 5。 观察:画面中的相互作用过程有什么不同?这会影响“等大反向”的结论吗?看提示

参考:弹性系数只改变相互作用的软硬和形变过程:系数小作用柔和、系数大作用猛烈,但作用力与反作用力始终等大反向——过程细节不改变牛顿第三定律。

作用力

12.00 N

反作用力

12.00 N

方向差

180°

概念精讲

拍手时两只手都会疼,划船时桨推水、水也推桨——力从来不是单方面的,而是物体之间的相互作用。牛顿第三定律把这种对称性写成 F₁₂=-F₂₁:作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线上,同时产生、同时消失,分别作用在两个不同的物体上。

应用时先问一句“谁对谁”:反作用力作用在原来的施力物体上,它与作用力分别改变两个物体的运动状态,所以永远不能合成、不能抵消。它与二力平衡的分水岭就在作用对象——平衡力作用在同一个物体上可以抵消,作用力与反作用力分属两个物体,各自产生各自的效果。

这一定律与物体是否接触、是否运动都无关:火箭向后喷气获得前进的推力,人走路蹬地才被地面向前送出,靠的都是反作用力。鸡蛋撞石头两力等大,碎的却是蛋壳——损坏与否取决于材料能承受的极限,而不是两边的力不一样大。

按难度递进完成,先自己作答再展开解析。

变式练习

基础

划船时桨向后推水,船就会前进。若桨对水的作用力为 150 N,水对桨的反作用力是多大?方向如何?

进阶

质量 60 kg 的人静止站在体重秤上(g 取 10 N/kg)。人对秤的压力是多大?这个压力与秤对人的支持力是什么关系?

进阶

有人说:“太空中没有空气,火箭向后喷气也无法获得前进的推力。”请用牛顿第三定律反驳这个说法。

挑战

质量 M=200 kg 的小船静止在静水面上,船上质量 m=50 kg 的人以相对地面 4 m/s 的水平速度跳离小船(水的阻力不计)。求船获得的反冲速度。

易错点

误区:作用力与反作用力大小相等,所以鸡蛋碰石头谁也不吃亏。

为什么错:力等大只说明相互作用的强度相同,物体损坏与否取决于材料的承受极限:蛋壳能承受的力远小于石头。

正确理解:鸡蛋和石头受到的相互作用力一样大,但蛋壳承受极限低,所以先碎;受力等大与是否损坏是两回事。

误区:马拉车的力大于车拉马的力,所以车被拉动。

为什么错:马拉车与车拉马是一对作用力与反作用力,永远等大反向。车能否前进取决于车受到的拉力与地面摩擦力的合力,而不是比较这对相互作用力。

正确理解:车前进是因为拉力大于摩擦阻力;作用力与反作用力分别作用在马和车上,不能放在一起合成或比较大小。

误区:只有物体静止时才存在作用力与反作用力。

为什么错:作用力与反作用力同时产生、同时消失,与运动状态无关:飞行的火箭与喷出的燃气之间同样存在等大反向的相互作用。

正确理解:只要两个物体发生相互作用,无论静止还是运动,作用力与反作用力都成对出现且大小相等、方向相反。

小测1/3

关于作用力与反作用力,下列说法正确的是: