鲁科版 (2019)必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律学案设计

这是一份鲁科版 (2019)必修 第一册第4节 牛顿第三运动定律学案设计，共20页。
1．知道力的作用是相互的，知道作用力与反作用力的概念。理解牛顿第三定律的确切含义。
2．会用牛顿第三定律解决有关问题。会区分平衡力与作用力和反作用力。
3．会通过实验探究作用力与反作用力的特点，验证牛顿第三定律，能用学过的物理术语等交流探究过程和结果。
4．能用牛顿第三定律正确解释日常生活中看似矛盾的现象，乐于将牛顿运动定律应用到日常生活实际中。
知识点一 作用力与反作用力
1．定义：物体间的一对相互作用力，称为作用力和反作用力。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。
2．特点：力的作用总是相互的。相互的作用力和反作用力既可以存在于相互接触的物体之间，也可以存在于不接触的物体之间。
力的作用总是相互的，这个“总”字表示没有例外情况。
1．思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)先有作用力，然后有反作用力。(×)
(2)只有两个物体接触时，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。(×)
知识点二 牛顿第三定律
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′分别表示作用力和反作用力，负号表示两个力的方向相反。
3．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)“神舟十七”号卫星于2023年10月26日发射成功；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。
某校高一年级(1)班与(2)班的一场拔河比赛，比赛结果(1)班同学胜出，绳质量忽略不计，拔河时(1)班同学对绳的拉力比(2)班同学大吗？
提示：不是。
2．思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)作用力与反作用力的大小相等，方向相反，合力为零。(×)
(2)物体间的作用力与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。(√)
成语“以卵击石”是指拿蛋去碰石头。比喻不自量力，自取灭亡。那么是否蛋对石头的力小于石头对蛋的力？
提示：不是。蛋碰石头，蛋对石头的力和石头对蛋的力是一对作用力与反作用力，大小必然相等。蛋破了，是因为蛋壳强度不大，易碎。
考点1 作用力与反作用力
1．一对作用力与反作用力的关系
作用力与反作用力作用在不同物体上，所以不能合成与分解。
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。
【典例1】 2023年10月26日，搭载着“神舟十七号”载人飞船的长征运载火箭在酒泉卫星发射中心顺利发射升空。火箭点火升空时，喷出的燃气以很大的速度从火箭喷口喷出，火箭获得推力而升空，则( )
A．火箭获得的推力来自空气
B．火箭对喷出燃气的作用力与喷出燃气对火箭的作用力是一对作用力与反作用力
C．喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力是一对作用力与反作用力
D．喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力是一对相互平衡力
B [燃气被喷出瞬间，燃气对火箭的反作用力：施力物体是喷出的燃气，受力物体是火箭，使火箭获得的推力，A错误；火箭对喷出燃气的作用力与喷出燃气对火箭的作用力是两个物体之间的相互作用，是一对作用力与反作用力，B正确；火箭喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力都作用在火箭上，不是一对作用力与反作用力，C错误；火箭能加速上升，说明火箭喷出的燃气对火箭的作用力大于火箭的重力，D错误。]
[跟进训练]
1．如图所示是利用传感器记录的两个物体间的作用力和反作用力的变化图线，根据图线可以得出的结论是( )
A．作用力大时，反作用力小
B．作用力和反作用力的方向总是相反的
C．作用力和反作用力是作用在同一个物体上的
D．此图线一定是在两个物体都处于静止状态时显示出来的
B [由图线关于t轴对称可以得出：作用力与反作用力一定大小相等、方向相反，故A错误，B正确；作用力与反作用力一定作用在两个物体上，且其大小和方向的关系与物体所处的运动状态无关，所以C、D错误。]
考点2 作用力、反作用力与平衡力的比较
【典例2】 某同学利用如图甲所示的装置研究摩擦力的变化情况。水平桌面上固定一个力传感器，传感器通过细绳拉住物块，物块放置在粗糙的长木板上。水平向右拉木板，传感器记录的力F与时间t的图像如图乙所示。在5.0－6.0 s间，力传感器通过细绳对物块的拉力F1、木板对物块的摩擦力F2和向右拉动木板的力F3之间的关系，下列说法正确的是( )

A．F1与F2是一对作用力与反作用力
B．F1与F2是一对平衡力
C．F2与F3是一对作用力与反作用力
D．F1是F2和F3的合力
思路点拨：作用力和反作用力一定作用在两个不同物体上，不能抵消，而平衡力一定作用在同一物体上，合力一定为零。
B [在5.0～6.0 s间，物块处于滑动状态，力传感器通过细绳对物块的拉力F1、木板对物块的摩擦力F2均作用在物块上，而物块处于平衡状态，故F1与F2是一对平衡力，故A错误，B正确；木板对物块的摩擦力F2和向右拉动木板的力F3，不是相互作用在两个物体间的力，不是相互作用力，故C错误；F1不是F2和F3的合力，因为未作用在一个物体上，故D错误。]
辨别作用力、反作用力与平衡力的方法
[跟进训练]
2．关于火箭升空的情形，下面描述正确的是( )
A．火箭尾部向下喷气，喷出的气体同时对火箭产生一个反作用力，使火箭获得了向上的推力
B．火箭喷出的气体对火箭的推力与火箭对气体的推力大小相等、方向相反，火箭处于二力平衡状态
C．火箭飞出大气层后，由于没有空气，火箭虽然向后喷气，却无法获得前进的动力
D．火箭在加速上升的过程中，火箭喷出的气体对火箭的推力大于火箭对气体的推力
A [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，故A正确，C错误；火箭喷出的气体对火箭的推力与火箭对气体的推力是一对作用力与反作用力，受力物体分别为火箭和气体，不是平衡力，故B错误；气体对火箭的推力和火箭对气体的推力是一对作用力与反作用力，总是大小相等，故D错误。]
考点3 牛顿第三定律的综合应用
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。
【典例3】 质量为M的人站在地面上，用轻绳通过光滑定滑轮将质量为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
思路点拨：(1)“轻绳、光滑定滑轮”说明绳对重物的拉力和对人的拉力大小相等。
(2)求人对地面的压力可用转换对象法先求地面对人的支持力。
C [以重物为研究对象，受力分析如图甲所示。
甲 乙
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，受力分析如图乙所示。
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。]
[母题变式]
若将上例的加速度a反向即重物以a加速上升(a＜g)且M ＞2m，求人对地面的压力大小。
[解析] 以重物为研究对象，受力分析如图甲所示。
甲
由牛顿第二定律得：
F－mg＝ma
所以绳子上的拉力
F＝mg＋ma
以人为研究对象，受力分析如图乙所示
乙
由平衡条件知：
F＋N＝Mg
所以N＝Mg－F＝Mg－mg－ma
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＝Mg－mg－ma。
[答案] Mg－mg－ma
[跟进训练]
3．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)
[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。
[答案] 9 N
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
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．关于物体间的作用力与反作用力，以下说法正确的是( )
A．重力和弹力一定不可以成为作用力与反作用力
B．“四两拨千斤”说明四两的作用力可以有千斤的反作用力
C．“主动出击”说明物体间可以先有作用力，然后才有反作用力
D．“以卵击石”说明鸡蛋对石头的作用力可以小于石头对鸡蛋的作用力
A [物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，同时产生、同时变化、同时消失，性质相同，故选项A正确，选项B、C、D错误。]
3．下列各对力中，是相互作用力的是( )
A．悬绳对电灯的拉力和电灯的重力
B．电灯拉悬绳的力与悬绳拉电灯的力
C．悬绳拉天花板的力和电灯拉悬绳的力
D．悬绳拉天花板的力和电灯的重力
B [作用力与反作用力是两个物体之间的相互作用力，选项A、C、D都不是作用力与反作用力。]
4．(新情境题：以称量体重为背景，考查牛顿第三定律)“减肥”变成了当前的时尚话题，为了保持一个“苗条”的身材，用体重计称量体重就变成了一项日常必不可少的活动。
问题：你能解释体重计工作的原理吗？
[解析] 对称体重的人进行受力分析，受重力G与体重计对他的支持力F作用，由于称体重的人保持静止，两者是一对平衡力，所以G＝F；另一方面，体重计给人支持力F的同时，人给体重计一个向下的压力F′作用，两者是作用力与反作用力，根据牛顿第三定律可知F＝F′；综上所述，人所受重力G等于他对体重计的压力F′，体重计示数就是它所受压力的大小F′，大小等于人的重力。
[答案] 见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
(1)作用力与反作用力有什么不同点？
提示：作用在不同物体上，方向相反，作用效果不同。
(2)作用力与反作用力有什么相同点？
提示：大小相同，性质相同，方向共线，变化规律相同。
课时分层作业(十六) 牛顿第三运动定律
题组一 作用力与反作用力
1．越野滑雪是比赛项目之一，运动员在赛道上滑行时( )
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方向相同
D．滑雪板对赛道的作用力与赛道对滑雪板的作用力是同一性质的力
D [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，是同一性质的力，故D正确。]
2．由自然资源部组织的中国南极考察队从上海出发远赴南极，由“雪龙号”“雪龙2号”共同执行科考任务。如图所示为静止在海面上的“雪龙2号”的简化示意图，不考虑其旅行中质量的变化。关于“雪龙2号”，下列说法正确的是( )
A．重力只作用在“雪龙2号”的重心处其余部分不受重力作用
B．重力与浮力是一对作用力与反作用力
C．在南极受到的重力比在上海受到的重力大
D．图中碎冰块对船体的弹力方向垂直于冰块表面向上
C [物体的各部分都受重力作用，不是只作用在“雪龙2号”的重心处，A错误；“雪龙2号”受到的重力和浮力是一对平衡力，故B错误；由于地球自转，上海的重力加速度小于南极的重力加速度，故“雪龙2号”在南极受到的重力大于在上海受到的重力，故C正确；碎冰块对船体的弹力方向垂直于接触面的切面，不是垂直于冰块表面，故D错误。故选C。]
3．用一根轻质弹簧竖直悬挂一小球，小球和弹簧的受力如图所示，下列说法正确的是( )
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
B [F1的施力物体是地球，F2的反作用力是F3，F3的施力物体是小球，F4的反作用力是弹簧对天花板向下的拉力，B正确。]
题组二 相互作用力与平衡力的比较
4．若无人机在空中处于悬停状态进行拍摄，在无风无雨的理想情况下，下列说法正确的是( )
A．无人机所受重力和空气对无人机向上的推力为一对平衡力
B．无人机所受重力和无人机对空气向下推力为一对平衡力
C．无人机所受重力和空气对无人机向上的推力为一对作用力与反作用力
D．无人机对空气向下的推力小于空气对无人机向上的推力
A [无人机所受重力和空气对无人机向上的推力作用在同一物体，大小相等，方向相反，故无人机所受重力和空气对无人机向上的推力为一对平衡力，故A正确，C错误；无人机所受重力和无人机对空气向下推力受力物体不同，不是一对平衡力，故B错误；根据牛顿第三定律可知无人机对空气向下的推力等于空气对无人机向上的推力，故D错误。故选A。]
5．重力为G的扫地机器人在水平地板上行驶，地板对机器人的支持力为FN，机器人对地板的压力为FN′，下列说法正确的是( )
A．当扫地机器人加速行驶时，FN大于FN′
B．当扫地机器人减速行驶时，FN大于FN′
C．当扫地机器人匀速行驶时，G与FN′是一对平衡力
D．无论扫地机器人如何运动，FN的大小和FN′的大小总相等
D [扫地机器人在水平地板上行驶，地板对扫地机器人的支持力和机器人对地板的压力分别作用在两个不同的物体上，是一对相互作用力，根据牛顿第三定律，可知作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，与机器人如何运动无关；当扫地机器人匀速行驶时，G与FN是一对平衡力，故A、B、C错误，D正确。]
6．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。电动滑板车置于水平地面上，下列说法正确的是( )
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面的压力是一对作用力和反作用力
C．人向上起跳的加速阶段，滑板车对人的支持力等于人对滑板车的压力
D．人向上起跳的加速阶段，人所受的重力与人对滑板车的压力大小相等
C [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，人所受的重力和地面对滑板车的支持力分别作用在两个不同的物体上，选项A错误；人站在滑板车上保持静止时，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，选项B错误；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，总是大小相等，方向相反，与人的运动状态无关，选项C正确；人向上起跳时，加速度向上，合力向上，人所受的重力小于滑板车对人的支持力，所以人所受的重力小于人对滑板车的压力，选项D错误。]
题组三 牛顿第三定律的综合应用
7．在各地机场，旅客可以使用自动取票机直接刷二代身份证获取机票。为了防止旅客忘记身份证，识别感应区一般设计为斜面。如图所示，斜面的倾角小于45°，当身份证放在感应区上处于静止状态时，下列说法正确的是( )
A．身份证对感应区的静摩擦力方向沿斜面向上
B．感应区对身份证的支持力大于对身份证的摩擦力
C．感应区对身份证的作用力大于身份证所受的重力
D．感应区对身份证的作用力小于身份证所受的重力
B [感应区对身份证的静摩擦力沿斜面向上，由牛顿第三定律可知，身份证对感应区的静摩擦力方向沿斜面向下，故A错误；感应区对身份证的支持力垂直斜面向上，对身份证的摩擦力沿斜面向上，设斜面的倾角为θ，由平衡条件可得FN＝G cs θ，f＝G sin θ，由于θ