物理必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律学案

牛顿第三运动定律

【学习目标】

1．知道力的作用是相互的，了解作用力、反作用力的概念。

2．理解牛顿第三定律的含义。

3．会用牛顿第三定律解决简单的问题。

4．会区分作用力、反作用力与平衡力。

【核心素养目标】

物理观念：1．能够在实际问题中区分平衡力与作用力，反作用力

2．知道作用力、反作用力的概念，知道牛顿第三定律的内容

科学思维：能应用牛顿第三定律转换研究对象，进行问题的求解

科学探究：通过现代仪器，验证牛顿第三定律的正确性

科学态度与责任：正确理解牛顿第三定律内容，能正确解释日常生活中一些看似矛盾的现象

【学习重难点】

1．理解牛顿第三定律的含义

2．能应用牛顿第三定律转换研究对象，进行问题的求解

3．会区分作用力、反作用力与平衡力，并会用牛顿第三定律解决简单的问题。

【学习过程】

必备知识•素养奠基

一、作用力和反作用力

1．定义：物体间的一对相互作用力，称作____________与______________。可把其中任意一个力称为作用力，另一个力则称为______________。

2．特点：力的作用总是____________。相互的作用力和反作用力既可以存在于相互__________的物体之间，也可以存在于____________的物体之间。

二、牛顿第三定律

1．内容：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小__________，方向__________，作用在_____________________；

2．光滑桌面上放两块条形磁铁A和B，A对B有力的作用，B对A也有力的作用，则A对B的力和B对A的力具备的特点：

（1）大小：A对B的力和B对A的力，大小__________；

（2）作用线：A对B的力和B对A的力，作用在______________上；

（3）存亡：当A对B的力消失时，B对A的力__________（选填“消失”或“不消失”），当A对B的力大小变化时，B对A的力大小__________（选填“变化”或“不变化”）；

（4）性质：A对B的力是引力，B对A的力是__________；A对B的力是弹力，则B对A的力是__________；

（5）方向：A对B的力的方向和B对A的力的方向__________；

（6）作用物体：A对B的力和B对A的力作用在__________（选填“相同”或“不同”）的物体上。

关键能力•素养形成

一、认识牛顿第三定律

1．一对作用力与反作用力的关系：

2．作用力与反作用力的普适性：

作用力和反作用力的关系适用于任何物体之间，与物体的运动状态无关，与参考系的选择也无关。

【思考·讨论】

马拉车在公路上前进，马给车一个作用力的同时，车也给马一个反作用力，两力一样大，为什么是车向前走而不是马向后退呢？

【规律方法】判断作用力和反作用力的方法

（1）看作用点：作用力和反作用力作用在两个物体上；

（2）看力的性质：作用力和反作用力是由于相互作用而产生的，一定是同一性质的力；

（3）看受力物体数量：作用力和反作用力这两个力的施力物体和受力物体一共只有两个。

【素养训练】

1．如图所示为棒球运动员击球的一瞬间，击球员用棒球棍回击飞过来的棒球时，球棒击棒球的力（  ）

A．球先对球棒有了力的作用，球棒才对球有力的作用

B．与球对球棒的力同时产生

C．大于球撞击球棒的力

D．小于球撞击球棒的力

2．一物体受绳拉力的作用，由静止开始前进，先做加速运动，然后改为匀速运动，再改为减速运动，下列说法正确的是（  ）

A．加速前进时，绳拉物体的力大于物体拉绳的力

B．减速前进时，绳拉物体的力小于物体拉绳的力

C．只有匀速前进时，绳拉物体的力才与物体拉绳的力大小相等

D．不管物体如何前进，绳拉物体的力与物体拉绳的力大小总相等

二、一对相互作用力和一对平衡力的区别

【思考·讨论】

情境：小男孩手牵不计质量的氢气球，使之静止于空中。

讨论：（1）哪个力是用来平衡绳子的拉力的？

（2）绳子对气球的拉力是哪个物体对哪个物体的作用力？

【总结提升】区分作用力、反作用力和平衡力的方法

区别作用力、反作用力和平衡力，最简单的方法是看涉及的物体个数，作用力和反作用力只涉及两个相互作用的物体，是甲物体对乙物体和乙物体对甲物体的关系，平衡的一对力涉及三个物体，即两个施力物体同时作用于平衡的物体上。

【素养训练】

1．北京时间2019年3月7日到9日，国际泳联系列跳水赛在北京水立方进行。中国跳水梦之队，发挥出色，如图所示为中国选手在比赛中，关于选手能跳起离开跳台的说法正确的是（  ）

A．他对跳台的作用力大于他的重力

B．跳台对他的作用力大于他对跳台的作用力

C．跳台对他的作用力大于他的重力

D．跳台对他的作用力对他做了正功

2．（多选）如图所示，某人用手托着苹果处于静止状态，则（  ）

A．手所受压力是由苹果的形变而产生的

B．手所受压力和手对苹果的支持力是一对平衡力

C．苹果所受重力和手对苹果的支持力是一对平衡力

D．苹果所受重力和苹果对手的压力是作用力和反作用力

【精炼反馈】

一、选择题（本题共6小题，每题4分，共24分）

1．如图所示，杯子静止于水平桌面上，杯子对桌面的压力为F1，桌面对杯子的支持力为F2。则下列说法正确的是（  ）

A．F1就是杯子所受到的重力

B．F1与F2的大小不相等

C．F1与F2是一对平衡力

D．F1与F2是一对作用力和反作用力

【解析】选D。F1是杯子对桌面的压力，重力是地球对杯子的引力，故A错误；F2是桌面对杯子的支持力，故F1与F2是一对作用力和反作用力，根据牛顿第三定律可知，F1与F2大小相等，故B、C错误，D正确。

2．引体向上是人们经常做的一项健身运动，开始做引体向上时，人悬吊在单杆上静止，通常情况下，两手间的距离与肩膀等宽，如图所示，则下列说法正确的是（  ）

A．单杆对人的作用力大于人受到的重力

B．单杆对人的作用力小于人受到的重力

C．单杆对人每支手臂的作用力大于人受到的重力

D．单杆对人每支手臂的作用力小于人受到的重力

【解析】选D。人处于平衡状态，单杆对人的作用力与人受到的重力是一对平衡力，A、B错误，单杆对两支手臂的作用力的和等于人受到的重力，对每支手臂的作用力小于重力，C错误，D正确。

3．（2019·厦门高一检测）如图所示，一物块在水平向右的力F作用下，静止在竖直墙壁上，下列说法正确的是（  ）

A．物块与墙壁之间共有两对作用力与反作用力

B．物块对墙壁的压力和墙壁对物块的弹力是一对平衡力

C．若增大F，则物块受到的摩擦力增大

D．若增大F，则物块受到的合力增大

【解析】选A。物块对墙壁的压力和墙壁对物块的弹力是一对相互作用力，物块对墙壁的摩擦力和墙壁对物块的摩擦力是一对相互作用力，故A正确，B错误；由平衡条件知物块受到的摩擦力等于重力G，增大F不会改变摩擦力大小，故C错误；由平衡条件知物块受到的合力为0，增大F，物块仍然静止，合力还是0，故D错误。

4．如图所示，水平地面上质量为m的物体，与地面的动摩擦因数为μ，在劲度系数为k的轻弹簧作用下沿地面做匀速直线运动。弹簧没有超出弹性限度。则（  ）

A．弹簧的伸长量为

B．弹簧的伸长量为

C．物体受到的支持力与对地面的压力是一对平衡力

D．弹簧的弹力与物体所受摩擦力是一对作用力与反作用力

【解析】选B。物体在水平方向上受弹簧弹力和摩擦力处于平衡状态，由胡克定律有μmg=kx，则弹簧的伸长量x=，故选项A错误，B正确；物体受到的支持力和对地面的压力是一对作用力和反作用力，故选项C错误；弹簧的弹力与物体所受的摩擦力是一对平衡力，故选项D错误。

5．如图所示，小车放在水平地面上，甲、乙二人用力向相反方向拉小车，不计小车与地面之间的摩擦力，下列说法正确的是（  ）

A．甲拉小车的力和乙拉小车的力是一对作用力和反作用力

B．小车静止时甲拉小车的力和乙拉小车的力是一对平衡力

C．若小车加速向右运动，表明小车拉甲的力大于甲拉小车的力

D．若小车加速向右运动，表明乙拉小车的力大于小车拉乙的力

【解析】选B。甲拉小车的力和乙拉小车的力作用在同一物体上，不是作用力和反作用力，A错误；不计小车与地面之间的摩擦力，小车静止时受到两个拉力而处于平衡状态，这两个拉力是一对平衡力，B正确；小车拉甲的力跟甲拉小车的力是作用力和反作用力，两力大小是相等的，C错误；同理，D错误。

6．如图所示为杂技演员在表演“顶杆”，一人站在地上，肩上为一质量为M的竖直竹竿，当杆上有一质量为m的人以加速度a加速下滑时，杆对“底人”的压力大小为（  ）

A．（M+m）g

B．（M+m）g-ma

C．（M+m）g+ma

D．（M-m）g

【解析】选B。设杆上的人受到的摩擦力为f，则有mg-f=ma，则f=mg-ma，对杆进行受力分析可得FN=Mg+f=（m+M）g-ma，故B正确。

【补偿训练】

质量为M的人站在地面上，用绳通过定滑轮将质量为m的重物从高处放下，如图所示，若重物以加速度a下降（a<g），则人对地面的压力为（  ）

A．（M+m）g-ma

B．M（g-a）-ma

C．（M-m）g+ma

D．Mg-ma

【解析】选C。以m为研究对象，受力分析如图所示：由牛顿第二定律得mg-F=ma

所以绳子上的拉力F=mg-ma

以人为研究对象，受力分析如图所示：

由平衡条件得F+N=Mg，

所以N=Mg-F=Mg+ma-mg

由牛顿第三定律知，人对地面的压力等于地面对人的支持力。所以N′=N=（M-m）g+ma

则C正确，A、B、D错误。

二、计算题（本题共2小题，共36分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要标明单位）

7．（16分）为探究作用力和反作用力的关系，某同学把两只力传感器同时连在计算机上，其中一只系在墙上，另一只握在手中，将两只传感器的挂钩钩在一起，用力拉另一只传感器，如图甲所示，在计算机显示屏上观察到了这对拉力随时间变化的曲线，如图乙所示。将一个力传感器固定在滑块上，另一个力传感器钩住它向右变速拉动滑块，如图丙所示，观察到这对拉力随时间变化的曲线，如图丁所示。

分析两图线并回答：

（1）作用力和反作用力有怎样的关系？

（2）此规律适用于怎样运动的物体之间？

【解析】（1）观察分析两个力传感器的相互作用力随时间变化的曲线，可以看出作用力与反作用力一定大小相等、方向相反，作用力与反作用力大小一定同时变化；

（2）将一个力传感器固定在滑块上，另一个力传感器钩住它向右变速拉滑块，通过这个实验，能得出结论是：运动的物体间的作用力和反作用力也是大小相等、方向相反。

答案：见解析

8．（20分）如图，质量为m的匀质小球放在倾角为θ的光滑斜面上，用水平细绳系住，细绳通过球心O，处于静止状态，重力加速度为g，求：

（1）小球对细绳的拉力T；

（2）小球对斜面的压力F。

【解析】（1）小球受力如图所示，

则T′=mgtanθ

由牛顿第三定律可得T=T′=mgtanθ

（2）同理有N=

又根据牛顿第三定律得：F=N=

答案：（1）mgtanθ

（2）

9．（6分）（2019·厦门高一检测）一个榔头敲在一块玻璃上把玻璃打碎了。对这一现象，下列说法正确的是（  ）

A．榔头敲玻璃的力大于玻璃对榔头的作用力，所以玻璃才碎

B．榔头受到的力大于玻璃受到的力，只是由于榔头能够承受比玻璃更大的力才没有碎裂

C．榔头和玻璃之间的作用力是等大的，只是由于榔头能够承受比玻璃更大的力才没有碎裂

D．因为不清楚玻璃和榔头的其他受力情况，所以无法判断它们之间的相互作用力的大小

【解析】选C。榔头敲玻璃的力和玻璃对榔头的力是作用力和反作用力，所以榔头敲玻璃的力等于玻璃对榔头的作用力；榔头和玻璃之间的作用力应该是等大的，只是由于榔头能够承受比玻璃更大的力才没有破碎。

10．（6分）（多选）2018年12月29日16时，在酒泉卫星发射中心，由长征二号丁运载火箭将“云海二号”“鸿雁星座”试验卫星一块送入太空，如图所示是火箭在升空过程中，下面关于卫星与火箭升空的情形叙述正确的是（  ）

A．火箭尾部向下喷气，喷出的气体反过来对火箭产生一个反作用力，从而让火箭获得了向上的推力

B．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

C．火箭飞出大气层后，由于没有了空气，火箭虽然向后喷气，但也无法获得前进的动力

D．卫星进入运行轨道之后，与地球之间仍然存在一对作用力与反作用力

【解析】选A、D。火箭升空时，其尾部向下喷气，火箭箭体与被喷出的气体是一对相互作用的物体。火箭向下喷气时，喷出的气体对火箭产生向上的反作用力，即为火箭上升的推动力。此动力并不是由周围的空气对火箭的反作用力提供的，因而与是否飞出大气层、是否存在空气无关，选项B、C错误，A正确；火箭运载卫星进入轨道之后，卫星与地球之间依然存在相互吸引力，即地球吸引卫星，卫星吸引地球，这就是一对作用力与反作用力，故选项D正确。

11．（6分）（2019·全国卷Ⅲ）用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件，为使工件保持固定，将其置于两光滑斜面之间，如图所示。两斜面Ⅰ、Ⅱ固定在车上，倾角分别为30°和60°。重力加速度为g。当卡车沿平直公路匀速行驶时，圆筒对斜面Ⅰ、Ⅱ压力的大小分别为F1、F2，则（  ）

A．，

B．，

C．，

D．，

【解析】选D。当卡车沿平直公路匀速行驶时，圆筒工件受力平衡。对圆筒进行受力分析知圆筒受重力G和斜面Ⅰ、Ⅱ的支持力F1′、F2′。将圆筒的重力G沿着垂直于斜面I和垂直于斜面Ⅱ分解，则F1′=mgcos30°= mg，F2′=mgsin30°= mg。由牛顿第三定律可知斜面对圆筒的支持力与圆筒对斜面的压力大小相等，方向相反。故F1= mg，F2= mg，D正确。

12．（22分）如图所示，圆环的质量为M，经过环心的竖直钢丝AB上套有一个质量为m的小球，今让小球沿钢丝AB以初速度v0竖直向上运动，要使圆环对地面无压力，则小球的加速度和小球能达到的最大高度是多少？（设小球不会到达A点）

【解析】由牛顿第三定律知，若圆环对地面无压力，则地面对圆环无支持力，取小球为研究对象，受重力mg和钢丝对小球竖直向下的摩擦力Ff，由牛顿第二定律得

由牛顿第三定律可知小球对钢丝竖直向上的摩擦力Ff′=Ff

对圆环受力分析可知，圆环受重力Mg和竖直向上的摩擦力Ff′作用，

则

由以上各式解得

小球沿钢丝做匀减速运动，由运动学公式可得上升的最大高度

答案：