物理必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律学案

这是一份物理必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律学案，共12页。


要点一 作用力与反作用力
在物理学中,把物体间的这一对相互作用力称为作用力与反作用力❶。
要点二 牛顿第三定律
在长期研究的基础上,牛顿总结并提出了牛顿第三运动定律,简称牛顿第三定律: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❷。
❶以下对作用力及反作用力的理解正确吗?
(1)相互作用的一对力中,产生的作用效果一定是相同的。
(2)作用力与反作用力一定是同性质的力。
提示 (1)错误。(2)正确。
❷由于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,所以它们的合力为零,这种理解正确吗?
提示 不正确,因为作用力和反作用力分别作用在两个物体上,不能进行力的合成。
深刻理解作用力和反作用力
(1)三个特征:
①等值,即大小总是相等的。
②反向,即方向总是相反的。
③共线,即二者总是在同一直线上。
(2)四种性质:
①异体性,即作用力和反作用力是分别作用在彼此相互作用的两个物体上。
②同时性,即作用力和反作用力同时产生,同时变化,同时消失。
③相互性,即作用力和反作用力总是相互的、成对出现的。
④同性性,即二者性质总是相同的。
探究点一 作用力与反作用力
我们知道,物体间的作用是相互的,一个物体对另一个物体施加力的作用,这个物体同时也受到另一物体对它的作用。这种相互作用有什么规律呢?先思考以下问题:
1.图中,在平静的水面上,静止的船头站立着一个人,现在人从船头走到船尾,会发生什么现象?
提示 小船会向后退一段距离。
2.将充了气的气球释放,当气流从气球中喷出时,气球的运动状态是什么样的?
提示 气球向相反的方向运动。
1.作用力与反作用力
所有现象表明,无论两个物体是否相互接触,当一个物体对另一个物体施加力的作用时,一定同时受到另一个物体的力的作用,我们把以上两个作用力分别叫作作用力与反作用力。
2.施力物体同时也是受力物体
例 甲、乙两人参加拔河比赛时的场景如图所示,下列说法正确的是( )
A.若甲赢,则甲对绳子的拉力大小大于绳子对甲的拉力大小
B.不论谁赢,甲对绳子的拉力大小均等于绳子对甲的拉力大小
C.甲受到的重力与支持力是一对作用力和反作用力
D.甲受到的摩擦力与绳子的拉力是一对作用力和反作用力
答案 B 甲对绳子的拉力和绳子对甲的拉力为作用力和反作用力,故二者大小一定相等,与谁赢无关,故A错误,B正确;甲受到的重力与支持力是一对平衡力,不是作用力和反作用力,故C错误;在水平方向上,甲受到的摩擦力与绳子的拉力是一对平衡力,故D错误。
解题感悟
要注意明确作用力和反作用力涉及两个物体,两个作用力性质相同,但作用在两个不同的物体上,产生的作用效果不同;而一对平衡力只涉及一个物体,是其他两个不同物体对一个物体的作用力,其性质可能不同,但两个力的合力为零;要注意正确区分二者的区别。
1.有人设计了一种交通工具,在平板车上装了一个电风扇,风扇运转时吹出的风全部打到竖直固定在小车中间的风帆上,靠风帆受力而向前运动,如图所示。对于这种设计,下列分析中正确的是( )
A.根据牛顿第二定律,这种设计能使小车运行
B.根据牛顿第三定律,这种设计能使小车运行
C.这种设计不能使小车运行,分析其原因需要用到牛顿第二定律和牛顿第三定律
D.这种设计不能使小车运行,分析其原因只需要用到牛顿第三定律,与牛顿第二定律无关
答案 D 以整体为研究对象,整体不受外力,因此这种设计不能使小车运行;根据牛顿第三定律可知,风扇对风帆有一个力的作用,同时风帆对风扇有一个反作用力,所以这种设计不能使小车运行,分析其原因只需要用到牛顿第三定律,与牛顿第二定律无关。故选D。
2.L形木板P(上表面光滑)放在固定斜面上,质量为M。轻质弹簧一端固定在木板上,另一端与放置于木板上表面质量为m的滑块Q相连,如图所示。若P、Q一起沿斜面匀速下滑,不计空气阻力,则木板P的受力个数为( )
A.3个 B.4个
C.5个 D.6个
答案 C 由于P、Q一起匀速下滑,取P、Q整体为研究对象,则沿斜面方向整体受力平衡,从而可知斜面对P有沿斜面向上的摩擦力。而P、Q间接触面光滑,则Q必受到弹簧向上的弹力,所以隔离P可知P受重力、斜面摩擦力、斜面的弹力、弹簧的弹力、Q的压力,共5个力的作用。故选项C正确。
探究点二 牛顿第三运动定律
1.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'(式中的“-”表示方向相反)。
(3)重要意义:定量地反映出物体间相互作用时彼此施力所遵循的规律,即作用力和反作用力的规律。
(4)适用范围:牛顿第三定律是个普适定律,它的成立不受条件限制,作用力与反作用力的关系与物体的运动状态无关,与参考系的选取无关。
2.作用力与反作用力的“四同”和“三异”
1.(多选)有一种沼泽地,它是一种水坑上面漂满浮土的泥沼地,外表看起来和别处没有区别,但是特别松软,人一旦踩上去,就会慢慢沉下去,最终窒息而亡。当人踩上去之后下列说法正确的是( )
A.人对沼泽地的压力小于沼泽地对人的支持力
B.人对沼泽地的压力等于沼泽地对人的支持力
C.人对沼泽地的压力等于人受到的重力
D.人对沼泽地的压力小于人受到的重力
答案 BD 人对沼泽地的压力和沼泽地对人的支持力是作用力和反作用力,二者大小相等。对人受力分析可知,人受重力和支持力,人最终下沉,是因为重力大于支持力,而支持力和压力大小相等,故压力小于重力。
2.如图所示,两块小磁铁质量均为0.5 kg,A磁铁用轻质弹簧吊在天花板上,B磁铁在A磁铁正下方的地板上,弹簧的原长L0=10 cm,劲度系数k=100 N/m。当A、B磁铁均处于静止状态时,弹簧的长度为L=11 cm。不计地磁场对磁铁的作用和磁铁与弹簧间的相互作用力,求B磁铁对地面的压力大小。(g取10 N/kg)
答案 9 N
解析 设B磁铁对A磁铁的作用力为F
因mg=5 N>k(L-L0)=1 N,故F竖直向上
A磁铁受力分析如图1所示,有k(L-L0)+F=mg
解得F=4 N
由牛顿第三定律得A磁铁对B磁铁的作用力
F'=F=4 N,方向竖直向下
B磁铁受力如图2所示,有FN=mg+F'
解得:FN=9 N
由牛顿第三定律得B磁铁对地面的压力
F压=FN=9 N
探究点三 相互作用力与平衡力
一对作用力和反作用力与一对平衡力的比较
1.如图所示,人静止站在体重秤上,下列说法中正确的是( )
A.人对体重秤的压力和体重秤对人的支持力是一对平衡力
B.人对体重秤的压力和体重秤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体重秤的压力是一对平衡力
D.人所受的重力和人对体重秤的压力是一对作用力与反作用力
答案 B 人对体重秤的压力和体重秤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体重秤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。
2.如图所示,物体静止于水平桌面上,则( )
A.物体对桌面的压力就是物体的重力,这两个力是同一种力
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.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
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 C 压力不是重力,压力的施力物体是物体,受力物体是桌面,作用点在桌面上,而重力的施力物体是地球,受力物体是物体本身,作用点在物体上,A错误;重力和物体对地球的吸引力是一对作用力与反作用力,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,B错误,C正确;物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对作用力与反作用力,D错误。
1.如图所示,一运动员站在3 m跳板上,图中F1表示人对跳板的弹力,F2表示跳板对人的弹力,则( )
A.先有F1后有F2
B.一旦人离开跳板,F2立即消失,F1依旧存在
C.F1和F2大小相等、方向相反,是一对相互作用力
D.因人离开跳板前具有向上的加速度,所以F2大于F1
答案 C 人对跳板的弹力F1和跳板对人的弹力F2是一对作用力与反作用力,它们大小相等,方向相反,作用在不同物体上,同时产生,同时消失,故选C。
2.如图所示,质量为m的木块在静止的质量为M的木板上向右滑行,木板与地面间的动摩擦因数为μ1,木块与木板间的动摩擦因数为μ2,木板一直静止,则地面受木板的摩擦力大小为( )
A.μ2mg B.μ1Mg
C.μ1(m+M)g D.μ1Mg+μ2mg
答案 A 对木块受力分析,受重力、木板的支持力和向左的滑动摩擦力,设此滑动摩擦力为f1,则有f1=μ2FN,FN=mg,故f1=μ2mg;再对木板受力分析,受到重力、木块对木板向下的压力、木块对其向右的滑动摩擦力、地面对木板的支持力及向左的静摩擦力,设此静摩擦力为f2,根据二力平衡条件,则有f1=f2,因此f2=μ2mg,再根据牛顿第三定律可知,地面受到木板的摩擦力大小为μ2mg,A正确,B、C、D错误。
3.(★)如图所示,用弹簧测力计悬挂一个重力为G=10 N的金属块,使金属块部分浸在台秤上的水杯中(水不会溢出)。若弹簧测力计的示数变为FT=6 N,则台秤的示数( )
A.保持不变 B.增加10 N
C.增加6 N D.增加4 N
答案 D 金属块浸入水中后,水对金属块产生浮力F,由弹簧测力计的示数知,浮力的大小F=G-FT=(10-6) N=4 N。根据牛顿第三定律,金属块对水也施加一个反作用力F',其大小F'=F=4 N,方向向下,所以台秤的示数增加4 N。
拔河,古称为“牵钩”,诞生于距今2 400年前春秋战国时期的楚国,是一种双方等同人数通过互拉拔河绳以进行对抗的比赛。胜负的判定看哪一队先将对方拉向该队且使拔河绳上的标志点超过所定的界限。拔河比赛曾于1900年至1920年五次出现在奥运会上,现在是世界运动会的正式竞赛项目之一。
1.如图所示,拔河比赛的结果是甲队取得胜利。在整体向左加速的过程中,甲、乙两队对绳子拉力的大小分别为F甲、F乙,绳子的质量忽略不计,则下列说法正确的是( )
A.F甲>F乙
B.F甲=F乙
C.F甲比F乙先产生
D.F甲与F乙是一对作用力与反作用力
答案 B 甲队对绳子的拉力与绳子对甲队的拉力是一对作用与反作用力,它们大小相等、方向相反;乙队对绳子的拉力与绳子对乙队的拉力是一对作用与反作用力,它们大小相等、方向相反;由二力平衡可知甲队对绳子的拉力等于乙队对绳子的拉力,即F甲=F乙,因F甲与F乙都是作用在绳子上的力,故不是一对作用力与反作用力。故选B。
2.(多选)2020年12月,学校在钟楼前举行了拔河比赛,师生积极参与,营造了奋力拼搏、团结向上的良好氛围,师生受到了锻炼,丰富了校园文化生活。针对甲、乙两组拔河比赛的场景,不计绳重,从物理学的角度分析,下列说法正确的是 ( )
A.比赛时,选体重较大的运动员,能增大对地面的压力
B.比赛时,运动员身体后倾,两腿弯曲,可以降低重心
C.比赛时,受到地面摩擦力较大的一组最终获胜
D.比赛时,拉力较大的一组最终获胜
答案 ABC 因为物体间力的作用是相互的。对于拔河的两个队,甲对乙施加了多大拉力,乙对甲也同时产生一样大小的拉力。可见,双方之间的拉力并不是决定胜负的因素,哪边能获胜就取决于哪边的摩擦力大,C正确, D错误;队员的体重越重,对地面的压力越大,摩擦力也会增大,A正确;身体向后倾,同时弯腿,可以降低重心,是借助对方的拉力来增大对地面的压力,其目的都是尽量增大地面对脚底的摩擦力,B正确。课标解读
课标要求
素养要求
1.知道力的作用是相互的,知道作用力和反作用力的概念。
2.理解牛顿第三定律的含义,并能用它解释生活中的现象。
3.能区分作用力、反作用力与平衡力。
4.学会正确受力分析。
1.物理观念:通过学习,形成比较完整的力学中的相互作用这一物理观念。
2.科学思维:能通过对具体问题的分析,理解一对相互作用力和一对平衡力的本质内涵。
3.科学探究:能根据作用力与反作用力的定义设计实验,探究作用力与反作用力的大小、方向和作用线有怎样的关系。
4.科学态度与责任:认识到物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释并需要接受实践的检验。
项目
作用力与反作用力的关系
四同
等大
总是大小相等
共线
作用在同一条直线上
同时
同时产生、同时变化、同时消失,不能认为先有作用力后有反作用力
同种类
一定是同一种类的力,不同种类的力不可能是作用力和反作用力的关系
三异
反向
方向相反
不同物体
作用在两个不同的物体上
效果不同
在不同的物体上分别产生不同的作用效果,不能相互抵消
项目
一对作用力和反作用力
一对平衡力
不
同
点
作用对象
两个力分别作用在相互作用的两个物体上
两个力作用在同一个物体上
涉及物体
两个物体
一个物体
力的性质
两个力的性质一定相同
两个力的性质不一定相同
作用效果
两个力分别作用在两个独立物体上,各自独立产生作用效果
两个力共同的作用效果是使物体处于平衡态
依赖关系
两个力一定同时产生、变化、消失,不可能单独存在
不存在依赖关系,撤除一个力时,另一个力可依然存在,只是受力不再平衡
共同点
大小相等、方向相反、作用在同一条直线上