高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律导学案

牛顿第三运动定律

知识点一　作用力与反作用力

[情境导学]

站在滑板车上的两人相对而立，当一人用力去推另一个人时，两人同时向相反的方向运动，这是为什么？

提示：力的作用是相互的，如果一人用力去推另一个人，在给别人施加作用力的同时，自己也受到了别人给的反作用力。

[知识梳理]

定义：物体间的一对相互作用力，叫作作用力与反作用力。可以把其中的任意一个力称为作用力，则另一个力就称为反作用力。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)相互作用的一对力中，称哪一个力为作用力是任意的。(√)

(2)只有两物体接触时，才会产生作用力与反作用力。(×)

(3)物体间可能只有作用力，而没有反作用力。(×)

(4)作用力与反作用力的受力物体是同一物体。(×)

2．对于作用力与反作用力的理解，下列说法中正确的是(　　)

A．作用力产生后，才产生反作用力；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．作用力与反作用力在任何情况下都不会平衡

解析：选D　作用力与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；作用力与反作用力一定是同种性质的力，C错误；由于作用力与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。

知识点二　牛顿第三运动定律及其意义

[情境导学]

甲、乙两队在进行拔河比赛，如果甲队获得了最后的胜利，那么我们就说甲队拉绳的力大于乙队拉绳的力，这种说法对吗？

提示：这种说法不对。甲队拉绳的力和绳拉甲队的力相等，乙队拉绳的力和绳拉乙队的力大小相等，而绳拉甲、乙的力大小也相等，所以甲队和乙队拉绳的力大小是相等的。

[知识梳理]

1．内容：两个物体之间的作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

2．表达式：F＝－F′，其中F、F′分别表示作用力与反作用力，负号表示两个力的方向相反。

3．意义：揭示了物体之间相互作用的规律，使人们不仅可研究单个物体的运动，还可把存在相互作用的各个物体的运动联系起来进行研究。

4．应用

(1)跳水运动员在跳板上起跳时，他对跳板的蹬力与跳板对他的弹力是一对相互作用力。

(2)火箭发射升空时，燃料燃烧产生气体，气体受力向下喷出，这些气体反过来给火箭施加了一个反作用力，把火箭送上太空。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)作用力与反作用力的大小相等、方向相反、合力为零。(×)

(2)先有作用力后有反作用力。(×)

(3)只有静止的两个物体作用时，作用力与反作用力才大小相等。(×)

(4)作用在两个物体上，大小相等、方向相反，且在一条直线上的两个力一定是作用力与反作用力。(×)

2.如图所示，一对父子掰手腕，父亲让儿子获胜。若父亲对儿子的力记为F1，儿子对父亲的力记为F2，则(　　)

A．F2＞F1

B．F1和F2大小相等

C．F1先于F2产生

D．F1后于F2产生

解析：选B　父子掰手腕，父亲对儿子的力与儿子对父亲的力为一对相互作用力，二者大小相等，且同时产生，同时消失，故B正确，A、C、D错误。

　　[问题探究]

如图所示，我国有一种传统的民族体育项目叫作“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，根据上述情境，试回答以下问题：

(1)甲方的拉力一定比乙方的拉力大吗？

(2)请分析甲获胜的原因。

提示：(1)甲方的拉力一定等于乙方的拉力，因为这两个力是作用力与反作用力。

(2)甲获胜是因为地面给甲的最大静摩擦力大于地面给乙的最大静摩擦力。

[要点归纳]

作用力与反作用力的关系

[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，如图为中国运动员在训练中的照片，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与反作用力，二者大小相等，方向相反，故C正确，A、B、D错误。

[答案]　C

正确理解牛顿第三运动定律中“总是”的含义

“总是”是强调对于任何物体，在任何情况下，作用力与反作用力的关系都成立。对此，我们可以从以下几个方面理解。

(1)不管物体的大小、形状如何，例如，大物体与大物体之间，大物体与小物体之间，任何形状的物体之间，其相互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，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，其相互作用力总是大小相等、方向相反的。

(3)作用力与反作用力的产生和消失总是同时的，两者中若有一个力产生、变化或消失，则另一个力必然同时产生、变化或消失。　　　　　　

[针对训练]

1．(多选)关于反作用力在日常生活和生产中的应用，下列说法正确的是(　　)

A．在平静的水面上，静止着一只小船，船上有一人，人从静止开始从小船的一端走向另一端时，船向相反方向运动

B．汽车行驶时，通过排气筒向后排出尾气，从而获得向前的反作用力即动力

C．如图所示的农田灌溉用的自动喷水器，当水从弯管的喷嘴喷射出来时，弯管会自动转向

D．软体动物乌贼在水中通过体侧的孔将水吸入鳃腔，然后用力把水挤出体外，乌贼就会向相反方向游去

解析：选ACD　人从小船的一端走向另一端时，要受到船给人的摩擦力，方向与人行走的方向相同，根据牛顿第三运动定律知，人对小船也有一个摩擦力，其方向与人行走的方向相反，因此船将在这个摩擦力的作用下改变运动状态，向人行走的相反方向运动，所以选项A正确；汽车行驶时，通过排气筒向后排出尾气，虽然尾气对排气筒有反作用力，但毕竟很小，并不是汽车动力的来源，因此选项B错误；农业灌溉用的自动喷水器，当水从弯管的喷嘴喷射出来时，弯管在水的反作用力的推动下会自动旋转，大大增加了喷水的面积，选项C正确；乌贼通过身体侧面的孔把水吸入鳃腔，然后用力把水经过小孔压出体外，根据牛顿第三运动定律可知，乌贼就获得到了方向相反的反作用力，从而向排水的相反方向游去，选项D正确。

2．下列关于人乘坐电梯加速向上运动的说法正确的是(　　)

A．人对电梯地板的压力大于电梯地板对人的支持力

B．人对电梯地板的压力等于人的重力

C．电梯地板对人的支持力大于人的重力

D．电梯地板对人的支持力等于人的重力

解析：选C　人对电梯地板的压力与电梯地板对人的支持力是作用力与反作用力，故人对电梯地板的压力等于电梯地板对人的支持力，A错误；当电梯向上加速运动时，有向上的加速度，所以电梯地板对人的支持力大于人的重力，由牛顿第三运动定律可知，人对电梯地板的压力大于人的重力，C正确，B、D错误。

3．(多选)在运动项目中，有很多与物理规律有着密切的联系，在学校运动会跳高比赛中，某同学成功地跳过了1.28 m的高度，若忽略空气阻力，下列说法正确的是(　　)

A．从地面向上起跳的过程中，地面对该同学的支持力等于该同学的重力

B．从地面向上起跳的过程中，地面对该同学的支持力等于该同学对地面的压力

C．落到垫子上后，该同学对垫子的压力始终等于垫子对该同学的支持力

D．落到垫子上后，该同学对垫子的压力始终等于该同学的重力

解析：选BC　从地面向上起跳的过程中，地面给该同学向上的支持力的大小要大于该同学的重力的大小，该同学才能够有向上的加速度，才能向上运动，A错误。从地面向上起跳的过程中，地面对该同学的支持力与该同学对地面的压力是一对作用力与反作用力，B正确。落到垫子上后，该同学对垫子的压力始终与垫子对该同学的支持力是一对作用力与反作用力，C正确。落到垫子上后，该同学先向下加速，加速度向下，此过程支持力小于重力，由牛顿第三运动定律知，此时该同学对垫子的压力小于重力；然后向下减速，加速度向上，故支持力大于重力，根据牛顿第三运动定律可知，此时该同学对垫子的压力大于该同学的重力；当该同学静止时，支持力等于重力，根据牛顿第三运动定律可知，此时该同学对垫子的压力等于该同学的重力，故D错误。

　　[问题探究]

如右图所示，猴子吊在空中。猴子受到重力G，还受到树枝对它的拉力F；另一方面，不但树枝在以拉力F向上拉着猴子，猴子同时也在以向下的拉力F′拉着树枝。

(1)上面涉及的两组力分别是什么力？

(2)这两组力有什么不同之处？

提示：(1)猴子在重力G和树枝对它的拉力F作用下保持静止，所以拉力F和重力G是一对相互平衡的力；树枝拉猴子的力F和猴子拉树枝的力F′是一对作用力与反作用力。

(2)①平衡力作用于同一物体上，作用力与反作用力作用在两个物体上；

②作用力与反作用力一定是同一种性质的力，平衡力则不一定是同一种性质的力；

③平衡力合力为零，相互作用力不能求合力。

[要点归纳]

一对作用力与反作用力和一对平衡力的比较

[例题2]　如图所示，人静止站在测力计上，下列说法中正确的是(　　)

A．人对测力计的压力和测力计对人的支持力是一对平衡力

B．人对测力计的压力和测力计对人的支持力是一对作用力与反作用力

C．人所受的重力和人对测力计的压力是一对平衡力

D．人所受的重力和人对测力计的压力是一对作用力与反作用力

[解析]　人对测力计的压力和测力计对人的支持力是一对作用力与反作用力，故A错误，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，也不是一对作用力与反作用力，故C、D错误。

[答案]　B

区分一对作用力与反作用力和一对平衡力的技巧

(1)看研究对象：一对作用力与反作用力作用在不同物体上，而一对平衡力作用在同一物体上。

(2)看依存关系：一对作用力与反作用力同生同灭、相互依存，而一对平衡力则彼此没有依存关系。　　　　

[针对训练]

1.两轮自平衡电动车具有运动灵活、智能控制、操作简单、绿色环保、转弯半径为零等优点，如图所示，警察正脚踏自平衡电动车巡逻。下列分析正确的是(　　)

A．轮胎上凹凸不平的花纹是为了增加车与地面的压力

B．地面对自平衡电动车的支持力是因地面发生形变而产生的

C．自平衡电动车及人受到的重力和对地面的压力是一对平衡力

D．自平衡电动车及人受到的重力和地面对他们的支持力是一对相互作用力

解析：选B　轮胎上凹凸不平的花纹是为了增加车与地面间的摩擦力，故A项错误；弹力是由施力物体的形变产生的，所以地面对自平衡电动车的支持力是因地面发生形变而产生的，故B项正确；自平衡电动车及人受到的重力和对地面的压力方向相同，不是一对平衡力，故C项错误；自平衡电动车及人受到的重力和地面对他们的支持力作用在同一个物体上，大小相等、方向相反，是一对平衡力，故D项错误。

2．物体静止于一斜面上，则下列说法正确的是(　　)

A．物体对斜面的压力和斜面对物体的支持力是一对平衡力

B．物体对斜面的摩擦力和斜面对物体的摩擦力是一对作用力与反作用力

C．物体所受的重力和斜面对物体的作用力是一对作用力与反作用力

D．物体所受的重力可以分解为沿斜面向下的力和对斜面的压力

解析：选B　根据作用力与反作用力及平衡力的特点可知物体对斜面的压力和斜面对物体的支持力及物体对斜面的摩擦力和斜面对物体的摩擦力，分别作用在斜面和物体上，因此它们是两对作用力与反作用力，故选项A错误，B正确。物体所受的重力是地球施加的，它的反作用力应作用在地球上，由此可知选项C错误。对重力分解，其分力也是作用在物体上的，不可能分解为对斜面的压力，选项D错误。

3．关于一对平衡力、作用力与反作用力，下列叙述正确的是(　　)

A．平衡力应是分别作用在两个不同物体上的力

B．平衡力可以是同一种性质的力，也可以是不同性质的力

C．作用力与反作用力可以不是同一种性质的力

D．作用力施加之后才会产生反作用力，即反作用力总比作用力落后一些

解析：选B　平衡力作用在同一物体上，可以是同种性质的力，也可以是不同种性质的力，故A错误，B正确；作用力与反作用力一定是性质相同的力，且同时产生，同时变化，同时消失，所以C、D均错误。

[要点归纳]

应用牛顿第三运动定律及“转换研究对象法”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，然后应用牛顿第三运动定律间接求得该力的大小和方向。

[例题3]　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′＋N，由牛顿第三运动定律知F′＝F，解得地面对工人的支持力N＝500 N。根据牛顿第三运动定律可知，工人对地面的压力大小为500 N，选项B正确。

[答案]　B

[针对训练]

1．在阻力可以忽略的冰面上，质量为60 kg的甲同学和质量为50 kg的乙同学用一根轻绳做拔河游戏。当乙同学的加速度大小是0.6 m/s2时，甲同学的加速度大小是(　　)

A．0　　　　　　　　　　 B．0.5 m/s2

C．0.6 m/s2 D．0.72 m/s2

解析：选B　由牛顿第三运动定律知，乙同学拉甲同学的力与甲同学拉乙同学的力大小相等，对乙同学有F＝ma＝50×0.60 N＝30 N，对甲同学由F＝Ma′得a′＝＝ m/s2＝0.5 m/s2，故B正确。

2.一个箱子放在水平地面上，箱内有一固定的竖直杆，在杆上套着一个环，箱与杆的质量为M，环的质量为m，如图所示。已知环沿杆匀加速下滑时，环与杆之间的摩擦力大小为f，则此时箱对地面的压力大小为(　　)

A．Mg＋f B．Mg－f

C．Mg＋mg D．Mg－mg

解析：选A　环在竖直方向上受重力及箱子的杆给它的竖直向上的摩擦力f，受力情况如图甲所示，根据牛顿第三运动定律知，环应给杆一个竖直向下的摩擦力f′，故箱子在竖直方向上受重力Mg、地面对它的支持力N及环给它的摩擦力f′，受力情况如图乙所示，由于箱子处于平衡状态，可得N＝f′＋Mg＝f＋Mg。根据牛顿第三运动定律，箱子对地面的压力大小等于地面对箱子的支持力大小，即N′＝Mg＋f，故选项A正确。

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：选D　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f，则有mg＝f①

滑杆和底座受力如图乙所示，

受重力Mg、支持力N、猴子对杆的摩擦力f′

三力平衡，则有：N＝Mg＋f′②

由牛顿第三运动定律得f′＝f③

由①②③解得N＝Mg＋mg

由牛顿第三运动定律得底座对地面的压力为

N′＝N＝Mg＋mg，方向竖直向下。

故选项D正确。

火箭升空

火箭升空靠燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾部喷出，火箭对喷出燃气有一作用力，反过来喷出的气体给火箭有一个反作用力而推动火箭前进。原始的火箭是用引火物附在弓箭头上，然后射到敌人身上引起焚烧的一种箭矢。初期普遍用于过年过节放烟火用。现代的火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的推进装置，如图所示。它自身携带燃烧剂与氧化剂，不依赖空气中的氧助燃，既可在大气中，又可在大气层外飞行。现代火箭可作为快速远距离运输工具，可以用来发射卫星和投送武器。

[示例]　(多选)如图是火箭加速上升时的照片，此时喷出气体对火箭作用力的大小(　　)

A．等于火箭的重力

B．大于火箭的重力

C．等于火箭对喷出气体的作用力

D．大于火箭对喷出气体的作用力

[解析]　火箭加速上升，则合力方向向上，所以喷出气体对火箭的作用力大于火箭的重力，选项B正确；喷出气体对火箭的作用力与火箭对喷出气体的作用力是一对作用力与反作用力，大小相等，选项C正确。

[答案]　BC

1．以卵击石，鸡蛋破碎，在这一过程中(　　)

A．鸡蛋对石头的作用力比石头对鸡蛋的作用力小

B．鸡蛋对石头的作用力比石头对鸡蛋的作用力大

C．鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力大小相等

D．鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力互相平衡

解析：选C　鸡蛋与石头间的作用是相互的，故鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力大小相等，鸡蛋破碎是因为同样的力产生了不同的作用效果，鸡蛋没有石头坚固，其承受能力弱，C正确，A、B错误。鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力作用在两个物体上，不可能平衡，故D错误。

2．人在地面上行走，人与地之间的相互作用力有(　　)

A．一对　　　　　 B．两对

C．三对 D．四对

解析：选C　人在地面上行走时，地球吸引人，人同时吸引地球，这是一对相互作用力；人对地面存在压力，地面对人具有支持力，这也是一对相互作用力；人和地面间同时存在静摩擦力作用，这是第三对相互作用力，故C选项正确。

3.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与反作用力

C．灯泡对绳的拉力和绳对灯泡的拉力是一对作用力与反作用力

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：选C　灯泡受的重力和绳对灯泡的拉力是一对平衡力，选项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与反作用力，绳对天花板的拉力和天花板对绳的拉力是一对作用力与反作用力，选项C正确，选项D错误。

4.如图所示，吊在大厅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，扇叶水平转动起来后，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．电扇水平转动后，固定杆对它的作用力小于它对固定杆的作用力

解析：选C　电扇不转时，显然有F＝G，而扇叶转动起来后，向下吹风，对空气有向下的作用力，根据牛顿第三运动定律，空气对叶片有向上的作用力，此时杆对电扇的拉力F′＜G，得F′＜F，A、B错误；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与反作用力，故两者总是大小相等、方向相反，C正确，D错误。

5．下列关于作用力、反作用力和一对平衡力的认识正确的是(　　)

A．一对平衡力的作用效果相互抵消，一对作用力与反作用力的作用效果也相互抵消

B．作用力与反作用力同时产生、同时变化、同时消失，且力的性质相同，平衡力的性质却不一定相同

C．作用力与反作用力同时产生、同时变化、同时消失，且一对平衡力也是如此

D．先有作用力，接着才有反作用力，一对平衡力都是同时作用在同一个物体上

解析：选B　作用力与反作用力的受力物体是两个，故作用效果不能抵消，故A错误；作用力与反作用力具有同时性，性质也一定相同，而平衡力不具有同时性，故B正确，C、D错误。