【2020秋備課】高中物理學(xué)案新人教版必修1-4.5-牛頓第三定律

4.5牛頓第三定律當(dāng)人從船上跳上岸時，船卻向后退去；火箭點火放射時，我們會看到噴出的火舌，實質(zhì)上是高溫高壓的氣體．船和火箭是如何獲得前進(jìn)的動力的呢？這兩個例子說明白力的作用具有什么特點？作用力與反作用力的特點1．同時：作用力與反作用力總是成對毀滅的，同時產(chǎn)生，同時變化，同時消逝．2．同性：作用力與反作用力產(chǎn)生的機(jī)理相同，因此確定是同種性質(zhì)的力．例如：物體受的支持力與其反作用力(物體對支持面的壓力)均屬于彈力．3．異體：作用力與反作用力分別作用在不同的物體上，各自產(chǎn)生效果，永久也不存在相互抵消、兩力平衡的問題．4．對稱：作用力與反作用力是對稱的，等大，共線反向；作用力也可叫反作用力，作用力的施力物體和受力物體同時也是反作用力的受力物體和施力物體．如A作用B與B作用A“對稱”．作用力、反作用力與平衡力的比較內(nèi)容作用力與反作用力一對平衡力性質(zhì)始終為同性質(zhì)的力不愿定是同性質(zhì)的力作用對象作用在兩個不同的物體上作用在同一個物體上依靠關(guān)系相互依存、不會單獨存在、同生共滅、瞬時對應(yīng)、同時變化不愿定同時產(chǎn)生、同時消逝、同時變化疊加作用效果各自產(chǎn)生，不行疊加，不行以求合力效果必定抵消、合力為零共性大小相等、方向相反、作用在同一條直線上牛頓第三定律的理解1．物體間各種形式的作用都是相互的，作用力與反作用力總是同時產(chǎn)生、同時變化、同時消逝．(毀滅、存在、消逝的時間相同)2．作用力與反作用力總是大小相等(大小相同)，方向相反，作用在同一條直線上(方向不同)．3．作用力與反作用力是同一性質(zhì)的力．(性質(zhì)相同)4．作用力與反作用力是分別作用在兩個物體上的(作用的對象不同)，既不能合成，也不能抵消，分別作用在各自的物體上產(chǎn)生各自的作用效果(作用效果不同)．也就是作用力與反作用力確定具有：“等大、反向、共線、同時、同性、異物”性．牛頓三定律的區(qū)分與聯(lián)系牛頓第確定律牛頓其次定律牛頓第三定律區(qū)分公式F合＝maF＝－F′意義加深了對力的生疏，指出了力是物體運動狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的緣由，即力是產(chǎn)生加速度的緣由揭示了加速度是力作用的結(jié)果，揭示了力、質(zhì)量、加速度的定量關(guān)系揭示了物體間力的作用的相互性，明確了相互作用力的關(guān)系爭辯方法依據(jù)抱負(fù)試驗歸納總結(jié)得出，不能直接用試驗驗證用把握變量法爭辯F、m、a之間的關(guān)系，可用試驗驗證由實際現(xiàn)象歸納總結(jié)得出，可用試驗驗證聯(lián)系牛頓三個定律是一個整體，是動力學(xué)的基礎(chǔ)一、牛頓第三定律的理解例1一個大人跟一個小孩站在水平地面上手拉手比力氣，結(jié)果大人把小孩拉過來了．對這個過程中作用于雙方的力的關(guān)系，不正確的說法是()A．大人拉小孩的力確定比小孩拉大人的力大B．大人與小孩間的拉力是一對作用力、反作用力C．大人拉小孩的力與小孩拉大人的力大小確定相等D．只有在大人把小孩拉動的過程中，大人的力才比小孩的力大，在可能毀滅的短暫相持過程中，兩人的拉力一樣大解析作用力與反作用力總是大小相等的，大人與小孩手拉手比力氣時，無論是在相持階段還是小孩被大人拉過來的過程中，大人拉小孩的力與小孩拉大人的力的大小總是相等的，所以說法B、C項正確，故選A、D項．答案AD(1)牛頓第三定律是對力的相互性和物質(zhì)性的進(jìn)一步完善，是牛頓運動定律的重要組成部分．(2)作用力與反作用力總是等大反向共線且作用于不同的物體上，相互依存，同生同滅，性質(zhì)相同．(3)作用力與反作用力由于作用于不同的物體上，其產(chǎn)生的效果(如形變及產(chǎn)生加速度)可能不同，這是由物體的自身屬性和物體所受的其他力打算的，并非作用力與反作用力大小不等.二、相互作用力與平衡力例2在天花板上用豎直懸繩吊一重為G的電風(fēng)扇，電風(fēng)扇靜止時受幾個力作用，這些力的反作用力是哪些力？這些力的平衡力是哪些力？假如電風(fēng)扇在勻速轉(zhuǎn)動呢？解析對靜止的電風(fēng)扇受力分析如圖甲所示，電風(fēng)扇受兩個力：重力G、懸繩拉力F.依據(jù)牛頓第三定律可知，重力G的反作用力就是電風(fēng)扇對地球的吸引力；F的反作用力是電風(fēng)扇對懸繩的拉力．電風(fēng)扇受到的重力G和懸繩的拉力F正好是一對平衡力．對勻速轉(zhuǎn)動的電風(fēng)扇受力分析如圖乙所示，電風(fēng)扇受三個力作用：重力G、懸繩的拉力F1及空氣向上的作用力F2.依據(jù)牛頓第三定律，重力的施力物體是地球，那么重力G的反作用力就是電風(fēng)扇對地球的吸引力；F1的施力物體是懸繩，所以F1的反作用力是電風(fēng)扇對懸繩的拉力；F2的施力物體是空氣，所以F2的反作用力是電風(fēng)扇對空氣的壓力．電風(fēng)扇受到的重力G與繩的拉力F1和空氣作用力F2的合力是一對平衡力．答案見解析三、牛頓運動定律的綜合應(yīng)用例3如圖4－5－2所示，質(zhì)量為M的木板放在傾角為θ的光滑斜面上，一個質(zhì)量為m的人站在木板上，若人相對于木板靜止，木板的加速度為多大，人對板的摩擦力多大？解析先以M、m為一整體，受力分析如圖甲所示，取沿斜面對下為正方向，由牛頓其次定律得：(M＋m)gsinθ＝(M＋m)aa＝gsinθ以人為爭辯對象，設(shè)木板對人的摩擦力為F人，方向沿斜面對下，受力分析如圖乙所示．由牛頓其次定律得：mgsinθ+F人=ma且a=gsinθ.可得F人=0，由牛頓第三定律得：人對板的摩擦力也為零．答案gsinθ0(1)牛頓第三定律經(jīng)常與牛頓其次定律結(jié)合起來處理一些綜合性問題．(2)求一個力時，可以通過轉(zhuǎn)換爭辯對象的方法先求出這個力的反作用力，再依據(jù)牛頓第三定律求出這個力.1.在拔河競賽中，下列各因素對獲勝有利的是()A．對繩的拉力大于對方B．對地面的最大靜摩擦力大于對方C．手對繩的握力大于對方D．質(zhì)量大于對方答案B2．下列關(guān)于牛頓第三定律的說法正確的是()A．作用力先于反作用力產(chǎn)生，反作用力是由作用力引起的B．作用力變化時，反作用力也必定同時發(fā)生變化C．任何一個力的產(chǎn)生必涉及兩個物體D．一對作用力和反作用力的合力必定為零答案BC3．人起跳時，人與地球間的作用力與反作用力有()A．1對B．2對C．3對D．4對答案B解析人起跳時，人受到地球?qū)θ说膹椓腿说闹亓ψ饔?，這兩個力分別對應(yīng)人對地球的壓力和人對地球的吸引力，故人在起跳時，與地球的相互作用力有2對．4．春天，河邊上的濕地很松軟，人在濕地上行走時簡潔下陷，在人下陷時()A．人對濕地地面的壓力就是他受的重力B．人對濕地地面的壓力大于濕地地面對他的支持力C．人對濕地地面的壓力等于濕地地面對他的支持力D．人對濕地地面的壓力小于濕地地面對他的支持力答案C解析人對濕地地面的壓力和濕地地面對他的支持力是一對作用力和反作用力，故大小相等，選項C正確．5．關(guān)于作用力與反作用力以及相互平衡的兩個力的下列說法中，正確的是()A．作用力與反作用力確定是同一性質(zhì)的力B．作用力與反作用力大小相等、方向相反，因而可以相互抵消C．相互平衡的兩個力的性質(zhì)，可以相同，也可以不同D．相互平衡的兩個力大小相等、方向相反，同時毀滅、同時消逝答案AC解析一對作用力和反作用力確定是同性質(zhì)的力，且等大反向，但分別作用于兩個不同物體上，因而兩個力不能合成、不能抵消，A對，B錯．一對平衡力是作用于同一物體上等大、反向、共線的兩個力，性質(zhì)可能相同，也可能不同，一個力變化時另一個力可以不變，故C正確，D錯．6．一物體受繩的拉力作用由靜止開頭前進(jìn)，先做加速運動，然后改為勻速運動，最終改做減速運動，則下列說法中正確的是()A．加速前進(jìn)時，繩拉物體的力大于物體拉繩的力B．減速前進(jìn)時，繩拉物體的力小于物體拉繩的力C．只有勻速前進(jìn)時，繩拉物體的力與物體拉繩的力大小相等D．不管物體如何前進(jìn)，繩拉物體的力與物體拉繩的力大小總相等答案D7．蛙泳(如圖4－5－3甲)時，雙腳向后蹬水，水受到向后的作用力，則人體受到向前的反作用力，這就是人體獲得的推動力，但是在自由泳(如圖4－5－3乙)時，下肢上下打水，為什么卻能獲得向前的推動力呢？答案見解析解析自由泳時，人的雙腿總是交替上下打水，在此過程中，雙腳與水的作用力是傾斜的，如右圖所示，某時刻右腳向下打水，左腳向上打水，則受F1、F2的作用，將F1、F2沿水平和豎直方向分解，得F1′和F2′作用，則F1′+F2′就是人體獲得向前的推動力．單位制的應(yīng)用例1質(zhì)量為1.5t的汽車在前進(jìn)中遇到的阻力是車重的0.05倍，汽車在水平地面上做勻加速直線運動時，5s內(nèi)速度由36km/h增至54km/h.求汽車所受牽引力的大?。?g取10m/s2)答案2.25×103N解析因v＝v0＋at，F(xiàn)－Ff＝ma故F＝ma＋Ff＝eq\f(m(v－v0),t)＋0.05mg已知v0＝36km/h＝10m/s，v＝54km/h＝15m/s，t＝5s，m＝1.5t＝1.5×103kg，代入以上數(shù)據(jù)，計算得F＝eq\f(1.5×103×(15－10),5)N＋0.05×1.5×103×10N＝2.25×103N.拓展探究現(xiàn)有下列物理量或單位，按下面的要求填空：①密度②米/秒③牛頓④加速度⑤質(zhì)量⑥秒⑦厘米⑧長度⑨時間⑩千克A．屬于物理量的有：____________；B．在國際單位制中，作為基本單位的物理量有：____________；C．在國際單位制中屬基本單位的有____________，屬導(dǎo)出單位的有____________．答案A．①④⑤⑧⑨B．⑤⑧⑨C．⑥⑩②③解析A．屬于物理量的有密度、加速度、質(zhì)量、長度、時間．B.在國際單位制中，作為基本單位的物理量有七個，這其中有質(zhì)量、長度、時間三個．C.國際單位制中的基本單位有七個，這其中有時間的單位秒、質(zhì)量的單位千克．屬于國際單位制中導(dǎo)出單位的有米/秒、牛頓．1．物理量與物理單位不同．物理量是能夠定量地反映客觀事物的主要屬性和共同特征的物理概念，每一個物理量都可以用“數(shù)值×單位”來表述，單位不同，其數(shù)值也不同．可見物理單位是完整描述物理量的一部分．2．一個物理量的單位假如用兩個或兩個以上的基本單位的符號表示，這個物理量的單位確定是導(dǎo)出單位．如速度：m/s，密度：kg/m3等．但是用一個符號表示的單位不愿定是基本單位，如米(m)是基本單位，而牛頓(N)卻是導(dǎo)出單位．3．物理計算問題中給出的各物理量的單位不愿定是統(tǒng)一的國際單位，一般先將其換算成統(tǒng)一的國際單位，這樣在計算過程中就不必將單位一一代入進(jìn)行運算，只要在計算的數(shù)值后面加上相應(yīng)的單位即可.相互作用力與平衡力面上，在下列各對力中，屬于作用力與反作用力的有()A．P所受的重力和Q對P的支持力B．P所受的重力和P對Q的壓力C．P對Q的壓力和Q對P的支持力D．Q對桌面的壓力和桌面對Q的支持力答案CD解析P所受重力的施力物體是地球，Q對P的支持力的施力物體是Q，它們是一對平衡力，A錯誤．P對Q的壓力的施力物體是P，受力物體是Q，P所受的重力和P對Q的壓力大小相等，方向相同，但不是同一個力，它們不是一對作用力與反作用力，B錯誤．P對Q的壓力和Q對P的支持力都是彈力，它們分別作用于Q和P，是一對作用力與反作用力，C正確．Q對桌面的壓力和桌面對Q的支持力都是彈力，分別作用于桌面和Q，受力物體分別是桌面和Q，施力物體分別是Q和桌面，它們是一對作用力與反作用力，D正確．拓展探究上例中，屬于平衡力的有()答案A1．推斷一對力是否是作用力與反作用力的途徑：①作用力與反作用力不行能作用于同一個物體上．②性質(zhì)不同的兩個力不行能是作用力與反作用力．③作用力與反作用力的施力物體和受力物體互換，即兩個力涉及兩個物體．2．作用力與反作用力和一對平衡力的區(qū)分：①受力對象：前者是兩個物體，后者為同一物體．②依靠關(guān)系：前者相互依存，不行能單獨存在，同時產(chǎn)生，同時消逝，后者無依靠關(guān)系，撤除一個，另一個可以照舊存在，只是不再平衡．③力的性質(zhì)：前者確定是同一性質(zhì)，后者可以是同一性質(zhì)，也可以不是同一性質(zhì)．④疊加性：前者兩力分別作用于兩個物體，分別對兩個不同物體產(chǎn)生效果，作用效果不行疊加，不會抵消，兩力無所謂合力，后者兩力作用效果可以疊加，可以抵消，兩力的合力為零.牛頓第三定律和牛頓其次定律的綜合應(yīng)用圖4－4、5－2例3如圖4－4、5－2所示，甲船及人的總質(zhì)量為m1，乙船及人的總質(zhì)量為m2，已知m1＝2m2，甲、乙兩船上的人各拉著水平輕繩的一端對繩施力，設(shè)甲船上的人施力為F1，乙船上的人施力F2.甲、乙兩船原來都靜止在水面上，不考慮水對船的阻力，甲船產(chǎn)生的加速度大小為a1，乙船產(chǎn)生的加速度大小為a2.(1)甲船上的人主動用力拉繩時，則F1∶F2＝________，a1∶a2＝________；(2)兩人同時拉繩時，則F1∶F2＝________，a1∶a2＝________；(3)若甲船上人施力F1增加，則乙船上人F2怎樣變化？a1、a2怎樣變化？a1、a2的比值怎樣變化？解析(1)繩：→eq\x(F1＝F2)→eq\x(F1∶F2＝1∶1)eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(繩拉甲船的力F1′,甲船：\x(由牛頓第,三定律),\x(F1′＝F1),\x(a1＝\f(F1′,m1)),繩拉乙船的力F2′,乙船：→\x(F2′＝F2)→\x(a2＝\f(F2′,m2))))eq\o(→,\s\up7(m1＝2m2))eq\x(\f(a1,a2)＝\f(1,2))(2)與(1)相同(3)eq\x(F1↑)eq\o(→,\s\up7(由牛頓第三定律))eq\x(F2＝F1)→eq\x(F2↑)→eq\x(\f(a1,a2)＝\f(m2,m1))→eq\x(a1∶a2＝1∶2)答案(1)1∶11∶2(2)1∶11∶2(3)F2增大a1、a2都增大a1、a2比值仍為1∶2拓展探究一只小貓?zhí)饋碜プ覓煸谔旎ò迳系呢Q直木桿如圖4－4、5－3所示，在這一瞬間懸繩斷了，設(shè)木桿足夠長，由于小貓連續(xù)向上爬所以小貓離地面高度不變，則木桿下降的加速度為________．(設(shè)小貓質(zhì)量為m，木桿的質(zhì)量為M)答案a＝eq\f(M＋m,M)g豎直向下甲乙解析由于小貓對地的高度不變，故小貓下落的加速度為零小貓受力如右圖甲所示，由牛頓其次定律得：Ff－mg＝0由牛頓第三定律知，小貓對桿的摩擦力Ff′的方向向下，木桿受力狀況如上圖乙所示，由牛頓其次定律可知：Ff′＋Mg＝Ma，由①②式可知，桿的下落加速度為a＝eq\f(M＋m,M)g，方向豎直向下．1．作用力和反作用力總是等大反向的，并且作用在相互作用的兩個物體上．2．當(dāng)爭辯對象的受力不好分析時，通常利用牛頓第三定律轉(zhuǎn)移爭辯對象分析.1.下列說法中正確的是()A．在力學(xué)中，力是基本物理量，所以力的單位牛頓是力學(xué)單位制中的基本單位B．由于力的國際單位是kg·m/s2，所以它是一個導(dǎo)出單位C．各物理量接受國際單位，通過物理公式計算后的運算結(jié)果的單位確定為國際單位D．物理公式不但確定了物理量間的數(shù)量關(guān)系，同時也確定了物理量間的單位關(guān)系答案BCD解析在力學(xué)單位制中，基本單位只有質(zhì)量、長度、時間的單位，其他單位都是通過不同的物理公式導(dǎo)出的，如由F＝ma可推導(dǎo)出力的單位，即1N＝1kg·m/s2.所以，本題正確答案為B、C、D.2．下列說法正確的是()A．凡是大小相等、方向相反、分別作用在兩個物體上的兩個力必定是一對作用力和反作用力B．凡是大小相等、方向相反、作用在同一物體上的兩個力必定是一對作用力和反作用力C．作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同始終線上，因此這二力平衡D．相互作用的一對力，到底稱哪一個力為作用力是任意的答案D解析作用力與反作用力是相互作用的兩個物體之間的彼此的作用．雖然它們大小相等、方向相反、分別作用在兩個物體上，但并不是凡是大小相等、方向相反、分別作用在兩個物體上的兩個力就必定是一對作用力和反作用力．3．物體靜止于一固定在水平地面上的斜面上，下列說法正確的是()A．物體對斜面的壓力和斜面對物體的支持力是一對平衡力B．物體對斜面的摩擦力和斜面對物體的摩擦力是一對作用力和反作用力C．物體所受重力和斜面對物體的作用力是一對作用力和反作用力D．物體所受重力可以分解為沿斜面的力和對斜面的壓力答案B解析作用力和反作用力確定是同性質(zhì)的力，并且分別作用在兩個物體上，而一對平衡力不愿定是同性質(zhì)的，且確定作用在同一物體上．A項中和B項中兩力性質(zhì)相同，并分別作用在相互作用的兩物體上，故是一對作用力與反作用力，而不是一對平衡力，A錯誤，B正確．物體所受重力的施力物體是地球，重力的反作用力應(yīng)作用在地球上，斜面對物體的作用力是作用在物體上的，C錯誤．對物體所受重力的分解，無論怎樣分解，任何一個分力都應(yīng)當(dāng)作用在該物體上，而不能作用在斜面上，明顯作用在斜面上的壓力是斜面所受的力，故D錯誤．4．一物體在2N的外力作用下，產(chǎn)生10cm/s2的加速度，求該物體的質(zhì)量．下面有幾種不同的求法，其中單位運用正確、簡潔而又規(guī)范的是()A．m＝eq\f(F,a)＝eq\f(2,10)kg＝0.2kgB．m＝eq\f(F,a)＝eq\f(2N,0.1m/s2)＝20eq\f(kg·m/s2,m/s2)＝20kgC．m＝eq\f(F,a)＝eq\f(2N,10cm/s2)＝20kgD．m＝eq\f(F,a)＝eq\f(2,0.1)kg＝20kg答案D解析在解題代入公式之前應(yīng)先統(tǒng)一單位，然后再進(jìn)行計算，故C錯；單位統(tǒng)一后，只須在數(shù)字后面寫單位，故B錯．5．下列說法正確的是()A．起重機(jī)用鋼索加速吊起貨物時，鋼索對貨物的力大于貨物對鋼索的力B．子彈能射入木塊是由于子彈對木塊的力大于木塊對子彈的力C．大人與小孩相撞時，大人對小孩的撞擊力大于小孩對大人的撞擊力D．將圖釘嵌入木板，圖釘對木板的力和木板對圖釘?shù)牧Υ笮∈窍嗟鹊拇鸢窪解析作用力與反作用力大小相等，故D正確．6．下面關(guān)于“神州七號”飛船和火箭上天的狀況敘述正確的是()A．火箭尾部向外噴氣，噴出的氣體對火箭產(chǎn)生一個向上的推力B．火箭的推力是由于噴出的氣體對空氣產(chǎn)生一個作用力，空氣的反作用力作用于火箭而產(chǎn)生的C．火箭飛出大氣層后，由于沒有了空氣，火箭雖向后噴氣也不會產(chǎn)生推力D．飛船進(jìn)入軌道后和地球間存在一對作用力與反作用力答案AD解析火箭尾部向外噴氣，給噴出的氣體一個作用力，而噴出的氣體給火箭一個反作用力，火箭就是受到這個反作用力(推力)，才克服空氣阻力向前飛行的，故A正確；飛船進(jìn)入軌道后，受到地球的引力作用，故D正確．圖4－4、5－47．利用牛頓第三定律，有人設(shè)計了一種交通工具，在平板車上裝了一個電風(fēng)扇，風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時吹出的風(fēng)全部打到豎直固定在小車中間的風(fēng)帆上，靠風(fēng)帆受力而向前運動，如圖4－4、5－4所示．對于這種設(shè)計，下列分析中正確的是()A．依據(jù)牛頓其次定律，這種設(shè)計能使小車運行B．依據(jù)牛頓第三定律，這種設(shè)計能使小車運行C．這種設(shè)計不能使小車運行，由于它違反了牛頓其次定律D．這種設(shè)計不能使小車運行，由于它違反了牛頓第三定律答案D圖4－4、5－58．如圖4－4、5－5所示，水平力F把一個物體緊壓在豎直的墻壁上，靜止不動，下列說法中正確的是()A．作用力F跟