高中物理人教版 (2019)必修 第一册3 牛顿第三定律学案设计

第3节 牛顿第三定律

知识点一　作用力和反作用力

[情境导学]

两个同学课间休息时在教室里进行“掰腕子”比赛，经过较量，甲同学赢了乙同学。请思考甲同学给乙同学的作用力与乙同学对甲同学的作用力有什么关系？

提示：大小相等，方向相反。

[知识梳理]

1．力的作用是相互的：力是物体对物体的作用，每个力一定存在着受力物体和施力物体。

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

3．作用力和反作用力的关系：总是互相依赖、同时存在的。我们把其中任何一个力叫作作用力，另一个力就叫作反作用力。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)先有作用力，然后有反作用力。(×)

(2)只有两物体接触时，才会产生作用力和反作用力。(×)

(3)物体间可能只有作用力，而没有反作用力。(×)

(4)作用力消失，反作用力不一定消失。(×)

2．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

解析：选D　作用力和反作用力总是同时产生、同时变化、同时消失的，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，它们在任何情况下都不会平衡，D正确。

知识点二　牛顿第三定律

[知识梳理]

1．实验探究

(1)实验装置：如图所示，把两个弹簧测力计A和B连接在一起，用手拉A。

(2)实验现象：①两个弹簧测力计的示数F与F′是相等的；②改变拉力，弹簧测力计的示数F与F′也都随之改变，但两个示数F与F′总相等。

(3)实验结论：作用力和反作用力大小相等，方向相反。

2．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相等，方向相反，作用在同一条直线上。

(2)表达式：F＝－F′(负号表示方向相反)。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)作用力和反作用力的大小相等、方向相反、合力为零。(×)

(2)物体间的作用力和反作用力一定同时产生、同时消失。(√)

(3)物体间的作用力和反作用力一定是同性质的力。(√)

(4)物块静止放在桌面上，物块所受重力和物块对桌面的压力是一对作用力和反作用力。(×)

2．思考题。

成语“以卵击石”是指拿蛋去碰石头，比喻不自量力，自取灭亡。那么是否是蛋对石头的力小于石头对蛋的力？

提示：不是，以卵击石时，卵与石之间的力是一对作用力与反作用力，大小相等，只是作用效果不同而已。

知识点三　物体受力的初步分析

[知识梳理]

1．受力分析

分析研究对象受到的力。

2．受力分析的思路

(1)根据物体运动状态的变化来分析和判断其受力情况。

(2)根据各种力的特点，从相互作用的角度来分析物体的受力。

3．力学中常见的三种性质力：重力、弹力、摩擦力。

4．受力分析要注意的几个问题

(1)明确要分析哪个物体所受的力。

(2)受力分析的一般顺序：先分析重力、再分析弹力、然后分析摩擦力，并且画出力的示意图。

(3)在受力分析时，不要把某个力的反作用力跟这个力的平衡力混淆起来。

[初试小题]

1．如图所示，某学校教室里的磁性黑板上粘挂一些小磁铁(如图中“笑脸”)，“笑脸”被吸在黑板上可以用于“贴”挂图等辅助教学。下列关于“笑脸”的说法中正确的是(　　)

A．“笑脸”受到黑板的吸引力大于黑板对其的弹力才能被吸在黑板上

B．“笑脸”与黑板间存在三对作用力和反作用力

C．“笑脸”受到三个力的作用

D．“笑脸”受到的支持力与黑板受到的压力是一对平衡力

解析：选B　“笑脸”受到黑板的吸引力等于受到的弹力，它们是一对平衡力，故A错误；“笑脸”受到黑板的作用力有：黑板的吸引力、弹力和摩擦力，有几个作用力，就有几对作用力和反作用力，所以“笑脸”与黑板间存在三对作用力和反作用力，故B正确；“笑脸”受重力、静摩擦力、吸引力和弹力共4个力，故C错误；“笑脸”受到的支持力与黑板受到的压力是一对作用力和反作用力，故D错误。

2．思考题。

如图所示，水平拉力作用于物体A上时，A、B相对静止于水平面上。

(1)物体A相对于B有向哪运动的趋势？所受摩擦力向哪？受几个力作用？

(2)物体B共受几个弹力作用？它只受一个摩擦力作用吗？摩擦力的方向向哪？

提示：(1)A相对于B有向右运动的趋势。所受摩擦力向左。A受重力、支持力、摩擦力、水平拉力四个力的作用。

(2)B受地面的支持力和A的压力两个弹力作用。不只受一个摩擦力作用。B受A对它的向右的摩擦力和地面对它的向左的摩擦力作用。

[问题探究]

如图甲所示，某人用力去推墙壁；如图乙所示，某次校运动会上，A、B两队进行拔河比赛；如图丙所示，手拿一磁铁靠近水平桌面上一安装有磁铁的小车，小车在磁铁的作用下发生运动。分析三种情况下无论物体是否接触、运动，当一个物体给另一个物体施加作用力时，另外一个物体是否给这个物体施加作用力？通过分析，我们可以得出作用力和反作用力有怎样的依赖关系？

提示：当一个物体给另一个物体施加作用力时，另一个物体也给这个物体施加作用力；通过分析可知：作用力和反作用力总是相互依赖的，作用力和反作用力总是同时产生、同时消失。

[要点归纳]

1．牛顿第三定律表达式：F＝－F′，式中的“－”号表示作用力与反作用力方向相反。

2．对作用力和反作用力的理解

(1)三个性质

(2)四个特征

 [例题1]　第24届“冬季奥林匹克运动会”将在2022年由北京市和张家口市联合举办。越野滑雪是比赛项目之一，如图所示，运动员在赛道上滑行时，关于滑雪板与赛道之间的相互作用力，下列说法正确的是(　　)

A．滑雪板对赛道的作用力大于赛道对滑雪板的作用力

B．滑雪板对赛道的作用力小于赛道对滑雪板的作用力

C．滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力大小相等

D．滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力方向相同

[解析]　滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力是一对作用力和反作用力，二者大小相等，方向相反，故C正确，A、B、D错误。

[答案]　C

牛顿第三定律中“总是”的含义及理解

“总是”是指对于任何物体、在任何情况下，作用力和反作用力的关系都成立。具体理解：

(1)不管物体的大小、形状如何，其作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。

(2)不管物体的运动状态如何，其作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。

(3)作用力和反作用力的产生和消失总是同时的。两者中若有一个产生或消失，则另一个必然同时产生或消失。

[针对训练]

1．如图所示的情形中，不涉及牛顿第三定律的有(　　)

解析：选B　气垫船螺旋桨给空气一个向后的作用力，反过来空气给气垫船一个向前的反作用力，属于牛顿第三定律的应用；战斗机飞行过程中，抛弃副油箱，减小质量，减小惯性，不涉及牛顿第三定律；发射火箭、喷水龙头自动旋转使喷水均匀，都利用了反冲，是作用力与反作用力的关系，属于牛顿第三定律的应用。故选B。

2．下列关于马拉车的说法正确的是(　　)

A．马拉力不动，是因为马拉车的力小于车拉马的力

B．马拉力前进，是因为马拉车的力大于车拉马的力

C．不论车如何运动，马拉车的力大小总等于车拉马的力的大小

D．只有当马拉车不动或马拉车匀速前时时，马拉车的力大小才等于车拉马的力

解析：选C　马拉车时，不论车如何运动，马拉车的力与车拉马的力都是一对相互作用力，二者总是大小相等的，故C对，A、B、D错。

[问题探究]

如图所示，牧童沿水平方向拉牛，但没有拉动，可将牛视为质点。

(1)牛受到几个力的作用？画出牛受力的示意图。

(2)牛受到的几个力中，哪些是一对平衡力？

(3)指出牛受到的几个力的反作用力。

提示：(1)牛受到重力G、地面对牛的支持力FN、绳对牛的拉力F和地面对牛的摩擦力Ff，共四个力作用，受力示意图如图所示。

(2)牛受到的重力G和地面对牛的支持力FN是一对平衡力；绳对牛的拉力F和地面对牛的摩擦力Ff是一对平衡力。

(3)牛受到的重力G的反作用力是牛对地球的吸引力；地面对牛的支持力FN的反作用力是牛对地面的压力；绳对牛的拉力F的反作用力是牛对绳的拉力；地面对牛的摩擦力Ff的反作用力是牛对地面的摩擦力。

[要点归纳]

一对作用力和反作用力与一对平衡力的不同点和相同点

[例题2]　如图所示，一根轻绳的上端悬挂在天花板上，下端挂一灯泡，则(　　)

A．灯泡受的重力和灯泡对绳的拉力是一对平衡力

B．灯泡受的重力和绳对灯泡的拉力是一对作用力和反作用力

C．灯泡对绳的拉力和绳对灯泡的拉力是一对作用力和反作用力

D．绳对天花板的拉力和天花板对绳的拉力是一对平衡力

[解析]　灯泡受到的重力和绳对灯泡的拉力是一对平衡力，A、B错误；灯泡对绳的拉力和绳对灯泡的拉力是一对作用力和反作用力，绳对天花板的拉力和天花板对绳的拉力是一对作用力和反作用力，C正确，D错误。

[答案]　C

区分作用力和反作用力与平衡力的方法

(1)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，乙物体对甲物体的关系。

(2)平衡力涉及三个物体，即两个施力物体同时作用在一个受力物体上。

(3)作用力和反作用力同生同灭，相互依存，而一对平衡力则彼此没有依存关系。

 [针对训练]

1．[多选]一物体静止在水平桌面上，下列有关力的描述正确的是(　　)

A．物体所受的重力和桌面对物体的支持力是一对平衡力

B．物体对桌面的压力就是物体所受到的重力

C．物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对作用力和反作用力

D．桌面受到的压力是由于桌面发生形变引起的

解析：选AC　物体静止在水平桌面上，受到竖直向下的重力和竖直向上的桌面的支持力，二力平衡，是一对平衡力；物体对桌面的压力大小等于物体所受到的重力大小，方向相同；物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对作用力和反作用力；桌面受到的压力是由于物体发生形变引起的。故选项A、C正确，选项B、D错误。

2．“肥胖”已成为当前影响人类健康的一大问题，因此有一个标准的身材已成为很多人的理想，为使全民有一个健康的体魄，很多医院都有测量“肥胖指数”的身高、体重测量计。如图所示，人静止站在测力计上，下列说法中正确的是(　　)

A．人对测力计的压力与测力计对人的支持力是一对平衡力

B．人对测力计的压力与测力计对人的支持力是一对作用力和反作用力

C．人所受的重力与人对测力计的压力是一对平衡力

D．人所受的重力与人对测力计的压力是一对作用力和反作用力

解析：选B　人对测力计的压力与测力计对人的支持力是一对作用力和反作用力，故选项A错误，选项B正确；人所受的重力和人对测力计的压力，既不是一对平衡力，也不是一对作用力和反作用力，故选项C、D错误。

[要点归纳]

1．受力分析

根据研究的问题，选取合适的物体作为研究对象，分析它受到哪些力的作用，并画出所受力的示意图，这一过程即为物体的受力分析。

2．受力分析的步骤

[例题3]　[多选]如图所示，质量均为m的两木块a与b叠放在水平地面上，a、b分别受到两个水平拉力的作用，两力大小均为F，两木块保持静止状态，则(　　)

A．a、b之间一定存在静摩擦力

B．b与地面之间一定存在静摩擦力

C．b与地面之间一定不存在静摩擦力

D．地面对b的支持力一定大于2mg

[解析]　由于两木块静止，对a进行受力分析可知，a受向右的拉力作用而有向右的运动趋势，故a一定受到b对a向左的静摩擦力作用，选项A正确；对a、b整体分析可知，整体在水平方向上所受的拉力的合力为0，故b与地面间没有摩擦力，选项B错误，选项C正确；对a、b整体分析可知，在竖直方向上受力平衡，故地面对b的支持力一定等于2mg，选项D错误。

[答案]　AC

受力分析中如何防止“多力”或“漏力”

(1)防止“多力”：对每个力都要找出其施力物体，若某个力找不到施力物体则说明该力不存在；另外合力与分力不能重复分析。

(2)防止“漏力”：按正确的顺序(即重力→弹力→摩擦力→其他力)进行受力分析是保证不“漏力”的有效措施。　　　　　　

[针对训练]

1．如图所示，A物体沿竖直墙自由下滑，B、C、D物体均静止，各接触面均粗糙。下列说法正确的是(　　)

A．A物体受到三个力作用  B．B物体受到四个力作用

C．C物体受到三个力作用  D．D物体受到三个力作用

解析：选C　A物体沿竖直墙自由下滑，“自由”说明物体A与竖直墙之间没有弹力和摩擦力，因此A只受重力作用，故A错误；B物体处于静止状态，受到重力、弹力、摩擦力三个力的作用，故B错误；C物体受到重力和两个绳子的拉力三个力的作用，故C正确；D物体处于静止状态，受到重力、支持力、绳子的拉力和摩擦力四个力的作用，故D错误。

2．如图所示，对物体A施加一水平作用力F，A、B、C三个物体均静止，下列关于各接触面间的摩擦力的情况说法正确的是(　　)

A．A对C有向左的摩擦力

B．C对B有向左的摩擦力

C．物体C受到三个摩擦力的作用

D．物体C对地面有向右的摩擦力

解析：选A　对A受力分析，受拉力F、重力、支持力和向右的静摩擦力Ff，物体静止，受力平衡，故Ff＝F，由牛顿第三定律可知，A对C有向左的静摩擦力，A正确；对B受力分析，受重力和支持力，二力平衡，不受摩擦力，故B错误；对C受力分析，受重力、A对C压力、B对C压力、地面对C支持力、A对C向左的静摩擦力和地面对C向右的静摩擦力，即物体C受到两个摩擦力的作用，故C错误；对整体受力分析，受拉力F、重力、支持力和向右的静摩擦力，所以地面对C有向右的静摩擦力，那么物体C对地面有向左的静摩擦力，故D错误。

应用牛顿第三定律“转换研究对象”求力

求解某个未知力，一般情况下优先选取该力的受力物体进行分析，但有些情况以受力物体为研究对象却不便于直接求解该力时，可先通过转换研究对象，求解其反作用力的大小和方向，然后应用牛顿第三定律间接求得该力的大小和方向。

[示例1]　[多选]如图所示，吊在天花板上的电扇所受重力为G，静止时固定杆对它的拉力为F，扇叶水平转动后，固定杆对它的拉力为F′，则(　　)

A．F＝G、F＝F′

B．F＝G、F＞F′

C．电扇静止时，固定杆对它的作用力等于它对固定杆的作用力

D．扇叶水平转动后，固定杆对它的作用力小于它对固定杆的作用力

[解析]　电扇静止时，有F＝G，而扇叶水平转动后，向下吹风，对空气有向下的作用力，根据牛顿第三定律，空气对扇叶有向上的作用力，此时固定杆对电扇的拉力F′＜G，得F′＜F，选项B正确；固定杆对电扇的作用力与电扇对固定杆的作用力为一对作用力和反作用力，故两者总是等大反向，选项C正确。

[答案]　BC

[示例2]　建筑工人用如图所示的定滑轮装置运送建筑材料。质量为70．0 kg的工人站在地面上，通过定滑轮将20．0 kg的建筑材料以2 m/s的速度匀速拉升，忽略绳子和定滑轮的质量及定滑轮的摩擦，则工人对地面的压力大小为(g取10 m/s2)(　　)

A．200 N　　　　　 B．500 N

C．700 N  D．900 N

[解析]　对建筑材料进行受力分析，根据二力平衡的条件有F＝mg，得绳子的拉力大小F＝200 N，然后对工人进行受力分析，由平衡条件得Mg＝F＋FN，得地面对工人的支持力FN＝500 N，根据牛顿第三定律可知，工人对地面的压力大小为500 N，选项B正确。

[答案]　B

[示例3]　如图所示，滑杆和底座静止在水平地面上，质量为M，一质量为m的猴子沿杆匀速下滑，则底座对地面的压力为(　　)

A．mg　　　　　　 B．Mg

C．(M－m)g  D．(M＋m)g

[解析]　以猴子为研究对象，分析猴子的受力如图甲所示。

在竖直方向上受重力mg和杆对猴子的摩擦力Ff，则有mg＝Ff①

滑杆和底座受力如图乙所示，

受重力Mg、支持力FN，猴子对杆的摩擦力Ff′

三力平衡，则有FN＝Mg＋Ff′②

由牛顿第三定律得Ff′＝Ff③

由①②③解得FN＝Mg＋mg

由牛顿第三定律得底座对地面的压力为

FN′＝FN＝Mg＋mg，方向竖直向下。

故选项D正确。

[答案]　D

1．如图所示，羽毛球运动员在比赛过程中用球拍回击飞过来的羽毛球，下列说法正确的是(　　)

A．球拍击羽毛球的力大于羽毛球撞击球拍的力

B．羽毛球先对球拍有力的作用，球拍才对羽毛球有力的作用

C．羽毛球撞击球拍的力是由羽毛球发生形变引起的

D．羽毛球对球拍的力和球拍对羽毛球的力是一对平衡力

解析：选C　球拍击羽毛球的力与羽毛球撞击球拍的力为作用力和反作用力，所以大小相等，方向相反，故A、D错误；力的作用是同时产生的，故B错误；由弹力的产生可知，羽毛球撞击球拍的力是由羽毛球发生形变引起的，故C正确。

2．人们通常认为一个大人和一个小孩拔河比赛，小孩胜出那是异想天开。如图所示，顽皮的小孩让大人踩着滑板拔河比赛，小孩竟然拉着大人往左边加速运动，大人心服口服，明白了这样的道理(　　)

A．小孩拉大人的力一定大于大人拉小孩的力

B．大人拉小孩的力大于小孩拉大人的力

C．决定胜负的关键是双方力气大小、质量大小的较量

D．决定胜负的关键是拉力大小和受到地面最大静摩擦力的较量

解析：选D　小孩拉大人的力与大人拉小孩的力，总是大小相等、方向相反，故选项A、B错误；对于双方拔河者来

说，当所受的拉力大于与地面的最大静摩擦力时就要被拉动而失败，则决定胜负的关键是拉力大小和受到地面最大静摩擦力的较量，选项C错误，选项D正确。

3．[多选]如图所示，把一本书放在水平桌面上保持静止，下列说法中正确的是(　　)

A．书对桌面的压力是弹力，是由于桌面发生形变而产生的

B．书对桌面的压力在数值上等于书受到的重力

C．书保持静止是由于书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对平衡力

D．书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对作用力和反作用力

解析：选BD　书对桌面的压力是弹力，是由于书发生形变而产生的，A错误；书对桌面的压力在数值上等于书受到的重力，B正确；书保持静止是由于书的重力与桌面对书的支持力是一对平衡力，C错误；书对桌面的压力与桌面对书的支持力是一对作用力和反作用力，D正确。

4．[多选]有一个木块放在水平地面上，如图所示，用弹簧测力计拉着细绳水平牵引木块，弹簧测力计有示数但木块没有移动，以下判断正确的是(　　)

A．涉及木块的作用力和反作用力一共有3对

B．涉及木块的作用力和反作用力一共有4对

C．木块一共受到2对平衡力的作用

D．木块一共受到3对平衡力的作用

解析：选BC　涉及木块的作用力和反作用力一共有4对，即重力和木块对地球的吸引力、支持力和木块对地面的压力、木块和绳之间的拉力、木块和地面之间的摩擦力，A错误，B正确；以木块为研究对象，木块在竖直方向上受到重力和支持力，二者是一对平衡力，水平方向受到拉力和摩擦力的作用，二者也是一对平衡力，所以木块一共受到2对平衡力的作用，C正确，D错误。