《作用與反作用牛頓第三定律》導學案

《作用與反作用牛頓第三定律》導學案理解領悟牛頓第一定律和牛頓第二定律解決了單個物體的運動和力之間的關系，但自然界的物體是相互聯系、相互影響、相互作用的。一個物體在受到其他物體作用的同時，也會對其他物體有作用，牛頓第三定律就是研究物體之間的相互作用的關系的。只有充分地研究物體間的相互作用，才能比較全面地認識物體的運動規(guī)律，牛頓的第一、第二、第三定律才能構成比較全面地反映機械運動規(guī)律的一套定律?；A級1.從實際現象看作用力與反作用力手拉彈簧，彈簧受到手的拉力，手也受到彈簧的拉力；人推桌子，會感到桌子也在推人；坐在一只船上的人用力推另一只船，另一只船也要推前一只船；地球上的物體受到地球的吸引，地球也在受著地面上的物體的吸引。種種現象表明，物體間的作用是相互的，一個物體對另一個物體施加了力，后一物體一定同時對前一物體也施加了力，物體之間的相互作用力總是成對出現的。我們把其中的一個力叫做作用力，另一個力就叫做反作用力。2.實驗探究作用力與反作用力的關系教材中把兩個彈簧測力計連接在一起，將一個彈簧測力計固定，用手拉另一個彈簧測力計，可以看到兩個彈簧測力計的讀數同時變化，且始終相等，而它們之間的相互作用力的方向是相反的。有些同學認為，上述實驗中兩個彈簧測力計是相互接觸的，相互接觸的物體間的相互作用力大小相等、方向相反，但不接觸的物體之間的相互作用是否也有同樣的結論呢？我們可以再做這樣的實驗：在水中放兩個相同的軟木塞，木塞上各放一個相同的小磁鐵，當同名磁極相對時，相互排斥，兩木塞向相反方向運動；當異名磁極相對時，相互吸引，做相向運動?？梢?，相互不接觸的物體間的作用也是相互的。從兩個木塞運動的對稱性還可以定性地看出，兩磁鐵的相互作用力也是大小相等、方向相反的。3.用傳感器探究作用力與反作用力的關系本節(jié)教材“做一做”欄目介紹了用傳感器探究作用力與反作用力關系的實驗，建議盡可能創(chuàng)造條件做一做。兩個傳感器同時連接在計算機上，計算機屏幕上可以記錄下兩個傳感器相互作用力的大小和方向。實驗表明，牛頓第三定律所闡明的作用力與反作用力的關系，不僅適用于靜止物體之間，也適用于運動物體之間，即這種關系與物體的運動狀態(tài)無關，與參考系的選擇也無關。4.對牛頓第三定律的理解兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在用一條直線上。這就是牛頓第三定律。用公式表示，即F=－F’(負號表示方向相反)。對牛頓第三定律應從以下幾點加以理解：異體性作用力與反作用力是兩個物體間的相互作用，所以這一對力是作用在兩個物體上，而不是作用在同一物體上，它們產生的作用效果永遠不會抵消。同時性這一對力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。有作用力，就有反作用力，它們總是成對出現的，同時產生、同時變化、同時消失。同一性作用力與反作用力必定是同一性質的力，即如果作用力是彈力，則反作用力也是彈力；如果作用力是摩擦力，則反作用力也是摩擦力。普遍性物體間的相互作用力可以是接觸力，也可以是非接觸力。作用力與反作用力的關系適用于靜止物體之間，也適用于運動物體之間，與物體的運動狀態(tài)無關，與參考系的選擇也無關。在經典力學討論的范圍，牛頓第三定律有其普遍意義。5.作用力與反作用力跟一對平衡力的區(qū)別作用力與反作用力跟一對平衡力均是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。然而，它們畢竟是有區(qū)別的：作用對象作用力與反作用力分別作用在兩個物體上，而一對平衡力則是作用在同一物體上。依賴關系作用力與反作用力相互依賴，同時產生、同時變化、同時消失；而構成一對平衡力的兩個力可以單獨存在，當一個力消失時，另一個力可以繼續(xù)存在。力的性質作用力與反作用力一定是同種性質的力，而一對平衡力可以是兩種不同性質的力。作用效果作用力與反作用力各有各的作用效果，不能相互抵消；而在不考慮物體的形變時，一對平衡力的作用效果可以相互抵消。6.牛頓第三定律在生產和生活中的應用教材列舉了一些在生活和生產中應用牛頓第三定律的例子。例如：劃船時槳向后推水，水就向前推槳；輪船的螺旋槳旋轉時向后推水，水同時給螺旋槳一個反作用力；汽車發(fā)動機驅動車輪轉動，由于輪胎與地面間的摩擦，車輪向后推地面，地面就給車輪一個向前的反作用力，這就是牽引力。其實，我們平時走路，由于鞋底與地面間的摩擦，腳向后推地面，地面就給腳一個反作用力，使人向前行進。你還能舉出這方面更多的例子嗎？7.對“說一說”欄目問題的回答本節(jié)教材“說一說”欄目提出了下列問題：一個瘦弱的男子與一個大力士“掰腕子”，兩手之間的作用力和反作用力一樣大嗎？若兩者一樣大，大力士怎么會贏呢？根據牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等，瘦弱的男子與大力士兩手之間的相互作用力肯定是一樣大的。大力士會贏的原因是，他對瘦弱男子的作用力超過了瘦弱男子所能承受的力。發(fā)展級8.牛頓第三定律的適用范圍牛頓運動定律是建立在絕對時空以及與此相適應的超距作用基礎上的。所謂超距作用，是指分離個物體間不需要任何介質，也不需要時間來傳遞它們之間的相互作用。也就是說，相互作用以無窮大的速度傳遞。除了上述觀點以外，在牛頓的時代人們了解的相互作用，如萬有引力、磁石之間的磁力以及相互接觸物體之間的作用力，都是沿著相互作用的物體的連線方向，而且相互作用的物體的運動速度都在常速范圍內。在這種情況下，牛頓才實驗中發(fā)現了第三定律。但是隨著人們對物體間的相互作用的認識的發(fā)展，19世紀發(fā)現了電與磁之間的聯系，建立了電場、磁場的概念；除了靜止電荷之間有沿著連線方向相互作用的庫侖力外，發(fā)現運動電荷還要受到磁場力即洛倫茲力的作用；運動電荷又將激發(fā)磁場，因此兩個運動電荷之間存在相互作用，而電磁作用是通過電磁場以有限的速度（光速c）來傳遞的。物理學的深入發(fā)展，暴露出牛頓第三定律并不是對一切相互作用都是適用的。如果說靜止電荷之間的庫侖相互作用是沿著二電荷的連線方向，靜電作用可當作以“無窮大速度”傳遞的超距作用，因而牛頓第三定律仍適用的話，那么，對于運動電荷之間的相互作用，牛頓第三定律就不適用了。實驗證明，對于以電磁場為媒介傳遞的近距作用，總存在著時間的推遲。對于存在推遲效應的相互作用，牛頓第三定律顯然是不適用的。實際上，只有對于沿著二物連線方向的作用（稱為有心力），并可以不計這種作用傳遞時間（即可看作直接的超距作用）的場合中，牛頓第三定律才有效。反應連接本節(jié)課的應用主要涉及對牛頓第三定律的正確理解，運用牛頓第三定律對實際問題的解釋，以及作用力與反作用力跟一對平衡力的辨析?；A級例1一個物體靜止地放在水平桌面上，物體對桌面的壓力等于物體的重力，這是因為（）A.它們是一對平衡力B.它們是一對作用力和反作用力C.它們既是平衡力又是相互作用力D.以上說法都不對提示明確平衡力和相互作用力的意義。解析物體對桌面的壓力和桌面對物體的支持力是一對作用力和反作用力，壓力大小等于支持力的大小。物體的重力和桌面對物體的支持力是一對平衡力，重力的大小等于支持力的大小。根據數學公理，等于第三個量的兩個量相等，所以物體對桌面的壓力等于物體的重力。正確選項為D。點悟物體對桌面的壓力作用在桌面上，物體的重力作用在物體上，不是作用在同一物體上的力談不上平衡力。壓力是彈力，與物體的重力性質不相同，不可能是一對作用力和反作用力。例2關于車拉馬、馬拉車的問題，下列說法中正確的是（）A.馬拉車不動，是因為馬拉車的力小于車拉馬的力B.馬拉車前進，是因為馬拉車的力大于車拉馬的力C.馬拉車不論車動還是不動，馬拉車的力的大小總是等于車拉馬的力的大小D.馬拉車不動或車勻速前進時，才是馬拉車的力與車拉馬的力大小相等提示根據牛頓第三定律作出判斷。解析馬拉車和車拉馬的力是一對作用力和反作用力，大小始終相等。正確選項為C。點悟由牛頓第三定律可知，馬拉車和車拉馬的力是一對作用力和反作用力，大小始終相等，毋庸置疑。而車的運動狀態(tài)的變化，是由車受到的合外力決定的。當馬拉車的力較小時，拉力與車受到地面的摩擦力大小相等，車保持靜止；當馬拉車的力大于車所受到的地面摩擦力時，車就開始起動并加速前進。例3以卵擊石，雞蛋“粉身碎骨”，但石頭卻“安然無恙”，是不是雞蛋對石頭的作用力小，而石頭對雞蛋的作用力大呢?提示應用牛頓第三定律進行判斷，注意蛋殼與石頭承受力大小的區(qū)別。(a)解析雞蛋與石頭相撞擊時，雞蛋對石頭的作用力和石頭對雞蛋的作用力是一對作用力與反作用力，根據牛頓第三定律，這一對力的大小是相等的。至于為什么“蛋碎”而“石全(a)點悟蛋破與否不僅與其受力有關，還與其承受能力有關，不能根據“蛋破而石不碎得出“雞蛋受到石頭的作用力大于雞蛋對石頭的作用力”的錯誤結論。對于生活中的一些物理現象，不能憑想當然主觀臆斷，必須運用相應的物理規(guī)律進行認真分析。圖4—30例4如圖4—30所示，在臺秤上放大半容器水，臺秤示數為50N。另用掛在支架上的彈簧秤懸掛一邊長為10cm的正方體金屬塊，當把金屬塊平穩(wěn)地浸入水中深4cm而未觸及容器底部時，彈簧秤的示數為多少？臺秤的示數會不會發(fā)生變化？（已知金屬塊的密度為3×103kg/m3，g圖4—30提示分析金屬塊的受力情況，并注意浮力的反作用力。解析浸入水中的金屬塊所受重力

N=30N，浮力

N=4N，故彈簧秤的示數為

FT=G－F=30N－4N=26N。臺秤的示數由于金屬塊所受浮力的反作用力增加了F’=F=4N。點悟本題中的金屬塊未觸及容器的底部，很容易遺漏浮力的反作用力，而誤認為臺秤的示數不會發(fā)生變化。要知道任何物體之間的作用力都是相互的，有作用力必有反作用力，浮力也不例外。發(fā)展級圖4—31θ例5置于水平面上的小車上，有一彎折成角度θ的細桿，如圖4—31所示，其另一端固定了一個質量為m圖4—31θ提示小球對細桿的作用力很難直接求出，可先求出細桿對小球的作用力，再根據牛頓第三定律求小球對細桿的作用力。αFyFFxmg圖4—32解析以小球為研究對象，小球受重力mg和細桿對它的作用力F，將F沿水平方向和豎直方向分解，水平分力為Fx，豎直分力為Fy，如圖4—32所示。由牛頓第二定律可知αFyFFxmg圖4—32故細桿對小球的作用力，。由牛頓第三定律可得，小球對細桿的作用力的大小為

F’=，方向與豎直方向成角斜向右下方。點悟本題給我們的一大啟示是：當某個力難以直接求出時，可設法先求出它的反作用力，再根據牛頓第三定律求出這個力。另外，有的同學會錯誤地認為細桿對小球的作用力F一定是沿細桿方向的。產生這種錯誤的原因是沒有區(qū)分細繩和細桿對小球作用力的特點。細繩的拉力一定沿著細繩的收縮方向，而細桿的作用力就不一定沿著細桿方向（除非是“二力桿件”，即只有兩端受力的桿件）。例如當小球的加速度為0時，細桿對小球的作用力就與重力平衡，大小為mg，方向豎直向上。圖4—33BA例6如圖4—33所示，兩個質量均為m的物塊A、B疊放在一個直立著的、勁度系數為k的輕彈簧上面而靜止。今用一豎直向下的力壓物塊A，彈簧又縮短了△l（仍在彈性限度內）而靜止。若突然撤去此力，則在撤去此力的瞬間圖4—33BA提示采用整體法和隔離法，應用牛頓運動定律求解。解析對A、B整體，未用力壓A時彈簧的壓縮量為x，則根據二力平衡條件和胡克定律有2mg=kx。設用力F向下壓A時，對A、B整體的靜止狀態(tài)有

F+2mg=k(x+△l)。突然撤去F的瞬間，對A、B整體，因重力和彈力不變，其合力向上，加速度向上，有k(x+△l)－2mg=2ma；對物體A有

FN－mg=ma。聯立解得B對A的支持力FN=mg+。根據牛頓第三定律，A對B的壓力大小也為mg+，方向豎直向下。點悟在求解連接體問題時，特別要注意運用牛頓第三定律來分析物體的受力情況。課本練習[問題與練習]圖4—圖4—34FGFN2.如圖4—34所示，物體靜止地放在臺式彈簧秤上，物體受到重力G和支持力FN的作用，因為物體處于平衡狀態(tài)，故G－FN=0，G=FN。臺式彈簧秤受到物體對它的壓力F，物體受到的支持力與彈簧秤受到的壓力為一對作用力于反作用力，根據牛頓第三定律，FN和F大小相等、方向相反，故F的大小與G相等。3.當你輕輕地推巨石時，你和巨石同時受到大小相等、方向相反的力的作用，你和巨石均由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動，兩者分離后均做勻速直線運動，但兩者的速度不一定相同。如果巨石放在地面上，結果會不同。如果巨石與地面間的摩擦力足夠大，你將推不動巨石。只有當你給巨石的力大于巨石受到的最大靜摩擦力時，巨石才能運動起來。圖4—35F圖4—35FBAFABF阻BA(1)

因為A拉B勻速運動，即物體處于平衡狀態(tài)，因此B車廂所受的合力為0，故FAB=。而FAB與是一對相互作用力，根據牛頓第三定律，它們大小相等、方向相反。(2)

因為A拉B加