高中物理教科版 (2019)必修 第一册5 牛顿第三定律学案及答案

5　牛顿第三定律

[学习目标]　1.理解作用力和反作用力的概念，知道一对作用力与反作用力与一对平衡力的区别.2.理解牛顿第三定律，并会用其解决简单问题．

一、作用力与反作用力

1．两个物体之间力的作用总是相互的，物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力和反作用力．

2．作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，它们总是性质相同的两个力，且同时存在，同时变化，同时消失．

二、牛顿第三定律

牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上．用公式表示为F＝－F′，式中负号表示作用力与反作用力方向相反．

判断下列说法的正误．

(1)物体间可能只有作用力，而没有反作用力．(　×　)

(2)两个物体只有接触才存在作用力和反作用力．(　×　)

(3)物体间先有作用力，然后才有反作用力．(　×　)

(4)物体间的作用力和反作用力等大、反向，可以抵消．(　×　)

(5)物块静止放在水平桌面上，物块所受重力和桌面对物块的支持力是一对平衡力．(　√　)

(6)物体对桌面的压力与桌面对物体的支持力是一对平衡力．(　×　)

一、对牛顿第三定律的理解

导学探究

1．鸡蛋去碰石头，鸡蛋会“粉身碎骨”，而石头却“安然无恙”，是不是就可以认为鸡蛋对石头的力小，而石头对鸡蛋的力大呢？

答案　不是．鸡蛋去碰石头，鸡蛋会“粉身碎骨”，是因为鸡蛋比较脆弱，在作用力大小相同的情况下，鸡蛋更容易破．

2.如图1所示，一个物体在粗糙水平地面上以初速度v0向右做匀减速运动，请找出物体受到的支持力与摩擦力的反作用力，一对作用力和反作用力作用在几个物体上？这两对作用力和反作用力各是什么性质的力？

图1

答案　物体受到的支持力的反作用力是物体对地面的压力，地面对物体的摩擦力的反作用力是物体对地面的摩擦力，一对作用力与反作用力作用在两个物体上，支持力与压力是弹力；后一对则都是摩擦力．

知识深化　作用力和反作用力的四个特征

(2020·沈阳市高一教学质量检测)关于作用力与反作用力，下列说法中正确的是(　　)

A．物体相互作用时，先产生作用力，然后才产生反作用力

B．作用力和反作用力的合力为零

C．作用力和反作用力总是同时产生，同时消失，分别作用在两个物体上

D．放在水平桌面上的书，所受重力和桌面对书的支持力为一对作用力与反作用力

答案　C

解析　由牛顿第三定律可知，作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，作用在两个物体上，力的性质相同，它们同时产生，同时变化，同时消失，故A错误，C正确；作用力和反作用力大小相等，方向相反，在同一条直线上，但作用在不同的物体上，故不能合成，故B错误；放在水平桌面上的书所受重力和桌面对书的支持力为一对平衡力，故D错误．

如图2所示，一匹马拉着车前行，关于马拉车的力和车拉马的力的大小关系，下列说法中正确的是(　　)

图2

A．马拉车的力总是大于车拉马的力

B．马拉车的力总是等于车拉马的力

C．加速运动时，马拉车的力大于车拉马的力

D．减速运动时，马拉车的力小于车拉马的力

答案　B

解析　马向前拉车的力和车向后拉马的力是一对作用力和反作用力，它们总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，与运动状态无关．加速运动或者减速运动时，马向前拉车的力都等于车向后拉马的力，故A、C、D错误，B正确．

正确理解牛顿第三定律中“总是”的含义

“总是”是强调对于任何物体，在任何情况下，作用力和反作用力的关系都成立．

(1)不管物体的大小、形状如何，任意两物体间作用力和反作用力总是大小相等、方向相反．

(2)不管物体的运动状态如何，例如，静止的物体之间，运动的物体之间，静止与运动的物体之间，其作用力和反作用力总是大小相等、方向相反．

(3)作用力和反作用力的产生和消失总是同时的．

二、一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较

导学探究　如图3所示，木块静止在水平面上．

图3

(1)在图中画出木块受到的重力G和支持力N的示意图．

重力G和支持力N属于一对什么力？作用在几个物体上？是同一性质的力吗？

(2)在图4中，画出水平面对木块的支持力N和木块对水平面的压力N′.

支持力N和压力N′属于一对什么力？分别作用在什么物体上？是同一性质的力吗？

图4

答案　(1)如图所示．

重力和支持力属于一对平衡力；作用在一个物体上；一个是重力，一个是弹力，不是同一性质的力．

(2)如图所示．

支持力N和压力N′属于一对作用力和反作用力；支持力N作用在木块上，压力N′作用在水平面上；两者都是弹力，是同一性质的力．

知识深化　

一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较

(2020·甘肃镇原二中高一期末)如图5所示，物体静止于水平桌面上，则(　　)

图5

A．桌面对物体的支持力的大小等于物体的重力，这两个力是一对平衡力

B．物体所受的重力和桌面对它的支持力是一对作用力与反作用力

C．物体对桌面的压力就是物体的重力，这两个力是同一种力

D．物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对平衡力

答案　A

解析　物体的重力是作用在物体上的力，支持力也是作用在这个物体上的力，这两个力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上，所以这两个力是一对平衡力，故A正确，B错误；压力不是重力，它们的施力物体、受力物体、作用点都不相同，故C错误；物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力为作用力与反作用力，不是平衡力，故D错误．

针对训练　如图6所示，人沿水平方向拉牛(可视为质点)，但没有拉动．下列说法正确的是(　　)

图6

A．绳拉牛的力小于牛拉绳的力

B．绳拉牛的力与牛拉绳的力是一对平衡力

C．绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是一对平衡力

D．绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是作用力与反作用力

答案　C

解析　绳拉牛的力和牛拉绳的力是作用力与反作用力，大小相等、方向相反，故A、B错误；绳拉牛的力与地面对牛的摩擦力是一对平衡力，故C正确，D错误．

三、牛顿第三定律的应用

牛顿第三定律是转换研究对象的桥梁．牛顿第三定律在受力分析、处理连接体问题中都有广泛的应用．当某个力不方便直接分析或求解时，可利用牛顿第三定律转换研究对象，通过分析或求解其反作用力，从而快捷地解决问题．

如图7为马戏团中猴子爬杆的装置，已知底座连同竖直杆总质量为20 kg，猴子质量为5 kg，现让猴子沿杆以1 m/s2的加速度从杆底加速向上爬，设猴子与杆之间的作用力为恒力，则底座对水平面的压力为多大？(g取10 m/s2)

图7

答案　255 N

解析　设猴子质量为m，杆及底座总质量为M，猴子向上加速爬时受到沿杆向上的力为F，对猴子由牛顿第二定律得F－mg＝ma，得F＝m(g＋a)＝55 N，根据牛顿第三定律知，猴子对杆向下的力F′＝F＝55 N，所以水平面对底座的支持力为N＝F′＋Mg＝255 N，由牛顿第三定律知底座对水平面的压力N′＝N＝255 N.

1．(作用力和反作用力)对于作用力和反作用力的理解，下列说法中正确的是(　　)

A．当作用力产生后，再产生反作用力；当作用力消失后，反作用力才慢慢消失

B．弹力和摩擦力都有反作用力，而重力无反作用力

C．甲物体对乙物体的作用力是弹力，乙物体对甲物体的反作用力可以是摩擦力

D．作用力和反作用力在任何情况下都不会平衡

答案　D

解析　作用力和反作用力总是同时产生、同时变化、同时消失，它们之间没有先后顺序，A错误；任何力都有反作用力，B错误；作用力和反作用力一定是同种性质的力，C错误；由于作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，因而它们在任何情况下都不会平衡，D正确．

2．(对牛顿第三定律的理解)(2020·太原市高一上期末)火箭是世界上最先进的运载工具之一，它是利用喷射燃烧的气体获得动力的．若不计空气阻力，在火箭竖直加速升空时，下列叙述正确的是(　　)

A．喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力是一对作用力和反作用力

B．喷出的气体对火箭的推力与火箭的重力是一对作用力与反作用力

C．喷出的气体对火箭的推力大于火箭对喷出气体的推力

D．喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力都作用在火箭上

答案　A

解析　由牛顿第三定律可知，喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力是一对作用力和反作用力，所以喷出的气体对火箭的推力与火箭对喷出气体的推力大小相等，方向相反，作用在不同物体上，故A正确，B、C、D错误．

3.(一对平衡力与作用力和反作用力)电动滑板车是继传统滑板之后的又一滑板运动的新型产品形式，深受年轻人的喜爱．如图8所示，电动滑板车置于水平地面上，下列说法正确的是(　　)

图8

A．人站在滑板车上保持静止时，人所受的重力和地面对滑板车的支持力是一对平衡力

B．人站在滑板车上保持静止时，滑板车对人的支持力与滑板车对地的压力是一对作用力和反作用力

C．人向上起跳时，滑板车对人的支持力等于人对滑板车的压力

D．人向上起跳时，人所受的重力等于人对滑板车的压力

答案　C

解析　人站在滑板车上保持静止时，人所受的重力与滑板车对人的支持力是一对平衡力，滑板车对人的支持力与人对滑板车的压力是一对作用力和反作用力，A、B错误；人向上起跳时，滑板车对人的支持力与人对滑板车的压力是一对作用力和反作用力，大小相等，方向相反，C正确；人向上起跳时具有向上的加速度，所以滑板车对人的支持力大于人的重力，根据牛顿第三定律，人对滑板车的压力也大于人的重力，D错误．

4．(利用牛顿第三定律转换研究对象)如图9所示为杂技“顶杆”表演，一人站在地上，肩上为一质量为M的竖直杆，当杆上一质量为m的人以加速度a加速下滑时，杆对“底人”的压力大小为(重力加速度为g)(　　)

图9

A．(M＋m)g   B．(M＋m)g－ma

C．(M＋m)g＋ma   D．(M－m)g

答案　B

解析　对杆上的人受力分析，根据牛顿第二定律得：mg－f＝ma，解得：f＝mg－ma，则人对杆的摩擦力为：f′＝f＝mg－ma，对杆受力分析，根据共点力平衡得：N＝Mg＋f′＝(M＋m)g－ma，由牛顿第三定律得，杆对“底人”的压力N′＝N＝(M＋m)g＝ma，故B正确，A、C、D错误．

考点一　对牛顿第三定律的理解

1．(多选)关于作用力和反作用力，下列说法正确的是(　　)

A．作用力是摩擦力，反作用力可能是弹力

B．作用力是弹力，反作用力可能是摩擦力

C．作用力是摩擦力，反作用力一定是摩擦力

D．作用力是弹力，反作用力一定是弹力

答案　CD

解析　作用力和反作用力的性质相同，摩擦力的反作用力一定是摩擦力，弹力的反作用力一定是弹力，故C、D正确，A、B错误．

2.一根轻质弹簧在天花板上竖直悬挂一小球，弹簧和小球的受力情况如图1所示，下列说法正确的是(　　)

图1

A．F1的施力物体是弹簧

B．F2的反作用力是F3

C．F3的施力物体是地球

D．F4的反作用力是F1

答案　B

解析　根据题意，F1的施力物体是地球，故选项A错误；F2的反作用力是F3，故选项B正确；F3的施力物体是小球，故选项C错误；F4的反作用力是弹簧对天花板的拉力，故选项D错误．

3．下列情景中，关于力的大小关系，说法正确的是(　　)

A．跳高运动员起跳时，地面对运动员的支持力大于运动员对地面的压力

B．钢丝绳吊起货物加速上升时，钢丝绳对货物的拉力大于货物对钢丝绳的拉力

C．鸡蛋撞击石头，鸡蛋破碎，石头对鸡蛋的作用力大于鸡蛋对石头的作用力

D．汽车受到地面的支持力大小始终等于地面受到车的压力大小，与汽车的运动状态无关

答案　D

解析　运动员对地面的压力和地面对运动员的支持力是作用力与反作用力，二者大小相等，A错误；钢丝绳对货物的拉力与货物对钢丝绳的拉力为作用力与反作用力，不管货物处于哪种状态二者大小都相等，B错误；鸡蛋对石头的力和石头对鸡蛋的力是作用力与反作用力，二者大小相等，C错误；汽车受到的地面的支持力和地面受到的车的压力是一对作用力和反作用力，它们大小相等，方向相反，与运动状态无关，D正确．

4.(多选)如图2所示，我国有一种传统的民族体育项目叫做“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，则下列说法正确的是(不计绳子质量)(　　)

图2

A．甲对乙的拉力大于乙对甲的拉力，所以甲获胜

B．当甲把乙匀速拉过去时，甲对乙的拉力等于乙对甲的拉力

C．当甲把乙加速拉过去时，甲对乙的拉力大于乙对甲的拉力

D．甲对乙的拉力始终等于乙对甲的拉力，只是地面对甲的摩擦力大于地面对乙的摩擦力，所以甲获胜

答案　BD

解析　无论物体处于何种状态，物体间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，由于它们作用在不同的物体上，其效果可以不同．甲获胜的原因是甲受到的地面的摩擦力大于绳子对甲的拉力；乙失败的原因是绳子对乙的拉力大于乙受到的地面的摩擦力．但是，根据牛顿第三定律，甲对乙的拉力大小始终等于乙对甲的拉力大小，选项B、D正确．

5．如图3所示，狗拉着雪橇在雪道上行驶，根据牛顿运动定律可知(　　)

图3

A．若加速前进，狗拉雪橇的力大于雪橇拉狗的力

B．若加速前进，狗拉雪橇的力与雪橇拉狗的力平衡

C．若减速前进，狗拉雪橇的力小于雪橇拉狗的力

D．狗拉雪橇的力与雪橇拉狗的力大小始终相等

答案　D

解析　无论雪橇如何运动，狗拉雪橇的力和雪橇拉狗的力是一对作用力与反作用力，因此它们始终大小相等、方向相反，注意雪橇的运动状态是由雪橇所受合外力决定的，故A、B、C错误，D正确．

考点二　一对平衡力与一对作用力和反作用力的比较

6.如图4所示，人站立在体重计上，下列说法正确的是(　　)

图4

A．人对体重计的压力和体重计对人的支持力是一对平衡力

B．人对体重计的压力和体重计对人的支持力是一对作用力和反作用力

C．人所受的重力和人对体重计的压力是一对平衡力

D．人所受的重力和人对体重计的压力是一对作用力和反作用力

答案　B

7.(多选)如图5所示，用水平力F把一个物体紧压在竖直墙壁上，使其保持静止，下列说法中正确的是(　　)

图5

A．水平力F与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力

B．物体的重力与墙壁对物体的静摩擦力是一对平衡力

C．水平力F与物体对墙壁的压力是一对作用力与反作用力

D．物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力

答案　BD

解析　水平力F与墙壁对物体的弹力是一对平衡力，A错误；物体在竖直方向上受竖直向下的重力以及墙壁对物体竖直向上的静摩擦力，这两个力是一对平衡力，B正确；水平力F作用在物体上，而物体对墙壁的压力作用在墙壁上，这两个力既不是平衡力，也不是相互作用力，C错误；物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力，D正确．

8．(多选)冬奥会上，张丹和张昊一起以完美的表演赢得了双人滑冰比赛的银牌，在滑冰表演刚开始时他们静止不动，随着优美的音乐响起在相互猛推一下之后他们分别向相反方向运动，假定两人与冰面间的动摩擦因数相同，已知张丹在冰上滑行的距离比张昊远，则(　　)

A．在推的过程中，张丹推张昊的力小于张昊推张丹的力

B．在推的过程中，张丹推张昊的时间等于张昊推张丹的时间

C．在刚分开时，张丹的初速度大于张昊的初速度

D．在刚分开时，张丹的加速度小于张昊的加速度

答案　BC

解析　在两人相互推的过程中，张丹推张昊的力与张昊推张丹的力是一对相互作用力，大小相等，方向相反，同时产生，同时消失，A错误，B正确．在两个人分开后，水平面上只受到摩擦力作用，a＝＝μg，所以加速度相等，根据v2＝2ax可得两人刚分开时，张丹的初速度大于张昊的初速度，C正确，D错误．

9.质量为M的人站在地面上，用绳通过光滑轻质定滑轮将质量为m的重物从高处放下，如图6所示，若重物以加速度a下降(a<g)，则人对地面的压力大小为(　　)

图6

A．(M＋m)g－ma

B．M(g－a)－ma

C．(M－m)g＋ma

D．Mg－ma

答案　C

解析　设绳的拉力为T，对重物，由牛顿第二定律知，mg－T＝ma，所以，绳的拉力为T＝mg－ma.对人受力分析，受重力、绳的拉力及地面的支持力而平衡，则Mg＝N＋T，所以N＝Mg－T＝(M－m)g＋ma.人对地面的压力与地面对人的支持力为一对作用力与反作用力，根据牛顿第三定律知，人对地面的压力大小为(M－m)g＋ma，故选C.

10.如图7所示，物体A、B质量分别是5 kg和12 kg，不计滑轮与绳间摩擦及绳的重力，整个系统静止．则B对地面的摩擦力和对地面的压力大小分别为(g取10 m/s2，sin 53°＝0.8，

cos 53°＝0.6)(　　)

图7

A．30 N　70 N   B．30 N　80 N

C．70 N　30 N   D．80 N　30 N

答案　B

解析　由于A处于平衡状态，受力分析可知绳子上的拉力T＝mAg①

对物体B受力分析，如图所示，由于B静止，则有

水平方向：Tcos 53°＝f②

由①②两式得地面对B的摩擦力f＝30 N

对物体B，在竖直方向，有mBg＝Tsin 53°＋N

代入数据解得N＝80 N

由牛顿第三定律可知f′＝30 N，N′＝80 N，即物体B对地面的摩擦力和压力大小分别为30 N和80 N，故选项B正确．