第六节 作用力与反作用力

    本节首先从力的基本概念出发引出作用力与反作用力的概念，然后将两者间的关系以及与平衡力的区别设计成一个个的问题，让学生带着问题通过探究将其一一解决，最终上升到理论的过程.牛顿第三定律是从实验中得出的.这里的设计都体现了作用力跟反作用力间的关系.每做一个实验都应讲清实验装置和实验目标及基本步骤.牛顿第三定律的教学除了让学生掌握定律的内容外，还应通过教学使学生体会研究物理规律的方法.在教学中要培养学生的思考能力，让学生多发表自己的看法.在学生的积极性调动起来后，教师要注意对课堂的控制.

教学重点 认识并理解作用力和反作用力的关系，牛顿第三定律.

教学难点 作用力和反作用力的关系与平衡力的关系的区别.

教学方法 探究式、讨论式、互动式.

教学用具 供选择

1.演示两物体间的相互作用力为弹力的小车、弹簧片、细线.

2.演示两物体间的相互作用力为摩擦力的三合板、遥控玩具汽车、玻璃棒.

3.演示两物体间的相互作用力为静电力的通草球、橡胶棒、毛皮、玻璃棒、丝绸.

4.演示两物体间的相互作用力为磁场力的小车、磁铁等.

5.演示两个学生间相互作用力的小车、绳.

6.演示相互作用力大小关系的弹簧秤.

课时安排 1课时

三维目标

知识与技能

1.认识作用力与反作用力的关系.

2.能区分平衡力和作用力与反作用力的异同.

3.能运用牛顿第三定律解决问题.

4.培养学生的实验观察能力和分析能力. 

过程与方法

    通过相互作用的观点出发直接给出作用力与反作用力的概念，然后引导学生进行相关的猜想，最终由学生自主进行相应的探究活动，在实验结果的基础上总结出牛顿第三定律.在教学过程中注意培养学生观察相互作用的两物体作用力与反作用力间的关系.学会从实验中总结出相关结论的方法.通过本节课的教学，要让学生在学习物理知识的同时，学会物理学研究现象、总结规律的方法.

情感态度与价值观

    培养学生勇于探究日常生活中有关的物理学问题，将物理知识应用于生活的意识.渗透实践是检验真理的唯一标准的观点.

教学过程

导入新课

    用课件展示:分小组试做以下实验:（1）用手拍桌面；（2）抓住桌子边缘用力拉它；（3）用力推桌子；（4）找两个弹子球，让一个不动，用另一个去碰它.

师 做了上面的实验请谈谈有何感受？

生1 当我拍桌子时，桌子会使我的手痛而让我感觉到它在回拍.桌子的回拍是力，因此使我的手变速(使我的手停下来).

生2 当我拉桌子时，桌子也把我拉向它.当我推桌子时，桌子也把我推开.这些都是桌子对我们施加的力.

生3 当两个弹子球碰撞时，投出的弹子施力于第二个弹子，这由第二个弹子被加速而开始运动即可看出.但第二个弹子也施力于第一个弹子，这由第一个弹子速度的变化可以看出.

师 这些实验表明，物体间力的作用是相互的.当一个物体对另一个物体施加力的作用时，这个物体同样会受到另一个物体对它的力的作用，我们把这个过程中出现的两个力分别叫做作用力和反作用力.下面进一步来研究两个物体之间的作用力和反作用力的关系.

推进新课

一、探究作用力与反作用力的关系

师 能再举例对上面的现象进行说明吗？

生 当我们触摸对方的脸时，会发现我们的手也被对方的脸触及.所以可以说，作用力与反作用力永远同时出现.你不能触及别的物体而不被对方触及.

师 当两个物体不相接触而作用时，仍然有上面的结果吗?能否给予说明呢？

生 可以找两块磁铁考查这个问题.把磁铁放在光滑表面上，让它们的极彼此接近而不相接触，按住它们使其静止.当你放开它们时，两块磁铁都加速，所以每块磁铁都对另一块施力.即使是两个分开的物体，作用与反作用也同时出现.

实验与探究

作用力和反作用力之间有什么联系与区别？请大家带着下面的问题进行探究.

1.是否先有作用力，后有反作用力？

我的猜想是:___________________________________________.

2.这两个力的性质是否相同？

我的猜想是: ___________________________________________.

3.这两个力的受力物体是否相同？

我的猜想是:___________________________________________.

4.这两个力的方向是否相同？

我的猜想是: ___________________________________________.

5.这两个力的大小是否相等？

我的猜想是:___________________________________________.

下面可以分小组完成几个探究性实验.

实验1:(1)器材的选取:粘在木板上侧面画有竖直条纹的软泡沫塑料两块、弹簧秤两只.

(2)把两块带板的塑料叠放起来,使两者的泡沫面互相接触.

(3)按住下面塑料的木板,拖动上面塑料的木板,并逐渐增大拉力.

(4)观察两塑料侧面竖直条纹的弯曲方向,分析其原因.

结论:两塑料接触面上的摩擦力方向相反.

    实验2:在桌面上并排放上一些圆杆，可用静电中的玻璃棒.如图3-6-1所示,在棒上铺一块三合板，板上放一辆遥控电动玩具小车.用遥控器控制小车向前运动时，板向后运动；当车向后运动时,板向前运动.

图3-6-1

    实验3:一个男生和一个女生，让他们对拉比力气大，并在他们之间加上两个同样的测力计.实验分下列几个步骤进行:

（1）让女生“主动”施拉力；

（2）让男生“主动”施拉力；

（3）双方同时施拉力；

（4）让男生穿上溜冰鞋站在水泥地上，女生穿一般的胶鞋对拉.

    现象:无论是一方“主动”施拉力，还是双方同时施力，两个测力计的示数总是相同的.

    实验4:在两辆小车上各固定一根条形磁铁，当磁铁的同名磁极靠近时，放手小车两车被推开；当异名磁极接近时，两辆小车被吸拢.如图3-6-2所示.

图3-6-2                 图3-6-3

    实验5:把两辆能站人的小车放在地面上，小车上各站一个学生，每个学生拿着绳子的一端，如图3-6-3所示.当一个学生用力拉绳时，两辆小车同时向中间移动.

通过实验由学生归纳出作用力与反作用力具有下面的性质:

①相互性:两个物体间力的作用是相互的.施力物体和受力物体对两个力来说是互换的，分别把这两个力叫做作用力和反作用力.

②同时性:作用力消失，反作用力立即消失.没有作用就没有反作用.

③同一性:作用力和反作用力的性质是相同的.这一点从几个实验中可以看出，当作用力是弹力时，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力.

④反向性:作用力跟反作用力的方向是相反的，在一条直线上.

师 轻轻拍一下桌面，然后拍得重些.桌子第二次回拍也重些，对吗?能给你什么信息呢？

生 对.这个结果给了我们关于这一对力的定量信息:作用增大时，反作用也增大.

    实验6:把两只弹簧秤置于水平桌面上相互对拉(注意:用力逐渐增大且两力方向在同一直线上).观察两弹簧秤读数的变化及两弹簧形变的方向.如图3-6-4所示.

图3-6-4

    结论:两弹簧秤给对方的拉力大小相等,方向相反.用两个弹簧秤对拉，观察两个弹簧秤间的作用力和反作用力的数量关系可以得到以下结论.作用力和反作用力的大小在数值上是相等的.

二、牛顿第三定律

师 通过上面的实验探究，可以得出下面的结论: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，作用在一条直线上.这一规律是由牛顿（Isaac Newton，1643—1727）在前人的实验基础上总结出来的，称为牛顿第三定律.

教师强调:这里“总是”是强调对于任何物体，在任何条件下，这两个相等的关系都成立.

（1）不管物体大小、形状如何，如大物体与大物体之间，或大物体与小物体间，还是任何形状的物体之间，其相互作用力总是大小相等.

（2）不管物体的运动状态如何.如静止的物体之间，运动的物体之间或静止物体与运动物体之间的相互作用力都是大小相等的.

（3）作用力与反作用力的产生和消失是同时的.因为两者中若有一个产生或消失，则另一个必须同时产生或消失，否则其间的相等关系就不成立了，认为作用力与反作用力的产生有先后的说法是错误的.

（4）物体间的相互作用，可以通过两物体直接接触发生作用，也可以通过“场”相互作用，如电荷之间的电场力，磁极之间的磁场力.

课堂提问

1:对以下的作用力写出其反作用力:(a)投手投球时施加于垒球上的力；(b)对垒球的一击；(c)垒球对接球手手套的冲击；(d)苹果的重力；(e)你的重力；(f)你的手臂作用于箱子使箱子在地板上滑动的拉力；(g)绳子牵着滑水者向前的牵引力.

参考解答:(a)垒球作用在投手的手上的向后的推力.(b)球对球棒的冲击力.(c)手套作用于垒球使之停止的向后的力.(d)苹果施加于地球的向上的引力.(e)你身体施加于地球的向上的引力.(f)箱子向后拉你手臂的拉力.(g)滑水者向后拉绳的拉力.

课堂提问

2:一本重12 N的书放在你手掌上.描写作用于书的两个力.每个力的大小和方向如何?这两个力是否大小相等而方向相反?这两个力互为作用力与反作用力吗?

参考解答:作用于书上的两个力是书的重力和你的手对书施加的力.重力是12 N向下，手施加的力是12 N向上.它们大小相等，方向相反.它们并不互为作用力与反作用力.

课堂提问

3:(a)一辆大卡车与一辆小汽车迎头相撞.卡车对小汽车施加的力更大些，还是小汽车对卡车施加的力更大些?

(b)一个运动的汽车从后面撞了一辆静止的汽车.运动的车对静止的车施加的力更大些，还是静止的车对运动的车施加的力更大些?

参考解答:(a)作用力与反作用力定律告诉我们这两个力大小相等.

(b)同前.

    课堂提问4:既然两个物体间的作用力和反作用力是大小相等的，为什么会出现这种情况:鸡蛋与石头相碰时，鸡蛋破碎而石头不破碎；马拉车时，车会向前走而马不后退呢？鸡蛋碰石头和石头碰鸡蛋的都是鸡蛋破碎，同样大小的力作用在两个物体上会产生不同的效果.效果不同是什么原因呢？

生 这个效果由物体本身的特性和物体受到其他力的情况有关.物体能够承受的压强大就不易损坏；物体是否发生运动状态的变化还要看物体受到的其他力的情况.马拉车的力与车拉马的力总是等大反向的，之所以车会向前走是因为马拉车的力大于或等于车受到的摩擦力使车前进.

讨论与交流1

    有人认为，在拔河比赛中，既然双方的作用力与反作用力大小相等，应该不可能分出胜负，实际上却总有一方获胜.这是否违背牛顿第三定律？如果让比赛一方坐在一只船上，另一方站在岸上进行比赛，结果又会怎样？从上面的结果中看，取胜的决定因素是什么？

    教学中教师要让学生对问题进行讨论与交流，通过震撼性的结果让学生自己寻找合理解释的理由，如有可能教师可以让学生进行辩论性比赛.

参考解答:拔河比赛中,得胜方脚与地的最大静摩擦力大于绳子对他们的拉力,而对手却因绳子对他们的拉力大于他们与地面的最大静摩擦力而失败，这两对力都不是作用力与反作用力.无论是胜方或是败方，人拉绳与绳拉人的力才是作用与反作用力,这对力不能决定胜负,它们总是等大反向的.

讨论与交流2

    一本书静置于水平桌面上，先分析书的受力情况，并指出哪两个力是平衡力，再分析书与桌面的作用力与反作用力，能找出平衡力和作用力与反作用力间的不同点吗？

    让学生分析讨论后,总结出:一对平衡力和一对作用力与反作用力的异同点.

①相同点是:等值、反向、共线.

②不同点是:Ⅰ.作用对象不同:作用力与反作用力是分别作用在互相作用的两个物体上(即异体性),所以两力的作用效果不能彼此抵消；而一对平衡力却作用在同一物体上,作用效果互相抵消.

Ⅱ.作用力与反作用力同时产生、同时变化、同时消失(即同时性)；而一对平衡力却不具备同时性.

Ⅲ.作用力与反作用力总是性质相同,而一对平衡力却不一定是同性质的.

下面通过列表的方式加以比较.

一对平衡力

一对作用力与反作用力

共同点

大小相等、方向相反、作用在同一条直线上

不同点

（1）两个力作用在一个物体上

（1）两个力作用在一个物体上

（1）两个力作用在相互作用的两物体上

（2）两个力性质不一定相同

（3）一个力的产生、变化、消失不一定影响另一个力

（3）两个力同时产生，同时变化，同时消失

（4）两个力共同作用，效果是使物体平衡

（4）两个力各有各的作用效果

课堂小结

    本节课我们学习了作用力与反作用力.要知道作用力与反作用力总是等大、反向、共线、异物、同生、共灭、同性.并要掌握作用力与反作用力与平衡力的联系与区别.

布置作业

课后练习

板书设计

牛顿

第三

定律

内容

两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在两个不同的物体上.

特性

同值、同性、同变化、异物、反向、共线

平衡力与相互作用力异同点

见上表

习题详解

1.答案:（1）物体 绳 6 向左 （2）物体 桌面 6 向右 （3）物体 地球 19.6 向上 （4）物体 桌面 19.6 向下

2.答案:D

解析：因为压力和支持力始终是一对作用力和反作用力，所以始终等大反向.

3.解答：第一种说法错,因为马拉车的力与车拉马的力是一对作用力与反作用力.第二种说法理由成立,因为车受到的拉力大于阻力,车才可以启动.

4.解答：运动员给足球一个作用力,由牛顿第三定律知,球以等大的力反作用于运动员使他有向后的运动趋势,但地面同时给运动员一个阻力,因此运动员没有向后退.

5.答案:(1)4对 （2）2对

本章习题详题

1.答案:(1) (2)

解析：（1）弹簧B受到向下的拉力F=G,

所以伸长量Δx= = .

(2)弹簧A受到向下的拉力F′=2G，

所以伸长量Δx′= = .

2.答案:8 cm

解析：由公式F=k·Δx得k= =10 N/cm.

所以F=20 N时Δx= =2 cm

所以此时弹簧长度l′=6 cm+2 cm=8 cm.

3.答案:10 N/cm

解析：由题图可知弹簧原长l0=2.4 cm,受18 N拉力时长度l=4.2 cm.

Δx=l-l0=1.8 cm，

所以k= =10 N/cm.

4.答案:20 N

解析：由正比例关系： F真′ ·F示′= ×18 N=20 N.

5.答案:（1）6 N （2）0

解析：（1）由题意可知，B物体与地面间的压力N=Ga+Gb=20 N

如物体运动可计算出B物体与地面间的摩擦力f=μ·N=6 N.

因为F=1 N所以物体静止不动.

由平衡力知识可得f静=F=1 N.

（2）A、B之间无相对运动趋势，所以f=0.

6.解答：轮胎与地面之间的摩擦要增大.

车闸部分摩擦要增大；轮与轴之间的摩擦要减小.

选用摩擦因数大的材料做轮胎并且刻上花纹；变轮与轴的滑动摩擦为滚动摩擦，并加注润滑剂.

7.答案:21 N

解析：前进的动力是沿水平方向的，所以分别求得F1、F2在水平方向的分力可得F动=F2cos30°+F1sin45°=21 N.

8.答案:（1）230 N  0.25  (2)200 N

解析：（1）由题意可知最大静摩擦力Fmax=230 N

滑动摩擦力F滑=200 N

μ滑= =0.25.

（2）根据二力平衡知识可知f=F=200 N.

9.答案:CD

解析:滑动摩擦力方向总是和物体间的相对运动方向(以对方为参考系)相反,若滑动摩擦力方向与物体的运动方向(习惯以地面为参考系)相同,则滑动摩擦力为动力；反之,滑动摩擦力为阻力.

10.解答：不对.因为手握瓶子的松紧跟摩擦力的大小无关.那么，我们又何必费那么大的力把瓶子握紧呢？要弄清这个问题必须搞清静摩擦力f与最大静摩擦力fm两个不同的概念.

    静摩擦力是两个接触的物体间有相对运动的趋势时，在接触面间所产生的摩擦力，它阻碍物体间的相对运动.但是，它的大小却与正压力无关，而总是等于外力，且与外力平衡.图3-6-5中，用手紧握住瓶子，如果瓶重5 N，那么向上的摩擦力f也是5 N；瓶重10 N，那么向上的摩擦力f也是10 N，决不会由于手握得紧而静摩擦力增大.

图3-6-5

    如果可能，则当f>G时，瓶子就会向上运动；但是我们从来没有见过，用力握住瓶子，瓶子就会向上飞去的.这样说来，握紧瓶子就不起什么作用了.这也不尽然，根据fm=μ0N握紧瓶子后最大静摩擦力fm增加了，因为最大静摩擦力与正压力成正比，其中μ0是静摩擦因数.最大静摩擦力是一个很有趣的量，这个量虽然存在，但不一定出现.例如，手与瓶之间最大静摩擦力为15 N，实际上瓶重5 N，静摩擦力仍是5 N，瓶重10 N，静摩擦力也是10 N；只有当瓶子为15 N时，这时的静摩擦力就等于最大静摩擦力15 N.最大静摩擦力好比银行中的存款，用多少取多少，但有个最大值，就是存入银行的数目，超过这个数目就不行了.所以手把瓶握得紧，最大静摩擦力增加了，可以更保险些.但是，握得过紧也就没有必要了.手越干燥、粗糙只改变了手与瓶的动摩擦因数,即只改变了手与瓶之间的最大静摩擦力,若这种情形的最大静摩擦力仍大于瓶的重力,则手与瓶的静摩擦力不会改变,理由与上述相同.

11.答案:9.8×102 N

解析：要使雪橇匀速运动，拉力必须与摩擦力相等，即F=f=μG=0.02×4.9×104 N=9.8×102 N.

12.答案:0.5

解析：由课本图38可以直接读出最大静摩擦力为6 N，滑动摩擦力为5 N.可对应计算出滑动摩擦因数μ= =0.5.

13.答案:B

解析：由力的分解知识可计算出重力沿斜面向下的分力F1=G·sinθ=30·sin30° N=15 N.

所以要使物体受力平衡，需提供沿斜面向上的拉力F=15 N.

14.答案:4 N 方向与F2相反

解析：开始时合力为零必须满足F1、F2同向且与F3反向，若F2减小到16 N，三力不再平衡，F合=F3-（F1+F2）=4 N.方向与F2相反.

15.解答：如图3-6-6所示

图3-6-6

F1、F2的合力为30 N，向东

F123=50 N，

方向与F2成53°角.

16.答案:

解析：设两恒力分别为T1、T2

由题可知

当T1、T2垂直时T合=T12+T22= .

17.答案:500 竖直向上 500 竖直向上

解析:因为上爬与下滑都是匀速,即均是平衡状态.两种情况摩擦力大小都与重力相等,而方向与重力相反,合力为零.

18.答案:G+F·sinα

解析：因为物体静止不动处于平衡状态，所以竖直方向受到的竖直向上的摩擦力与竖直向下的力等大反向，

所以f=G+F·sinα

19.答案:

解析：物体受力分别如图3-6-7和368所示

图3-6-7                        图3-6-8

有挡板时：斜面受到压力为N1

无挡板时，斜面受到的压力为N2

N2=N′=G2=G·cos30°= G，所以

20.答案:15 N 25 N

解析：气球受力如图3-6-9可知：F=T1=T·cos37°                  ①

图3-6-9

F浮=F2=T·sin37°                                             ②

联立①②并代入数值得F浮=15 N，T=25 N.

21.答案:

    如图3-6-10，截取长为2l的细绳一段，将物体悬于中点，使两握点紧靠直尺且逐渐远离，直至悬线被拉断，测得两握点间距为d.由力的合成和分解知识可知

图3-6-10

课外训练

1.竖直方向的电线下吊着静止的电灯，下面的说法中正确的是(    )

A.电灯受到的重力和电线对它的拉力是一对作用力与反作用力

B.电线对电灯的拉力,大小等于电灯受到的重力

C.电灯对电线的拉力就是电灯受到的重力，这两个力的性质相同

D.电灯对电线的拉力和电线对电灯的拉力是一对作用力和反作用力

2.汽车拉着拖车在平直的公路上运动，下面的说法正确的是(    )

A.汽车能拉着拖车向前运动是因为汽车对拖车的拉力大于拖车拉汽车的力

B.汽车先对拖车施加拉力，然后才产生拖车对汽车的拉力

C.匀速前进时，汽车对拖车的拉力等于拖车向后拉汽车的力；加速前进时，汽车向前拉拖车的力大于拖车向后拉汽车的力

D.匀速前进时,汽车对拖车的拉力等于拖车向后拉汽车的力;加速前进时,汽车向前拉拖车的力等于拖车向后拉汽车的力

3.马拉车由静止开始，先做加速运动，后改为匀速运动，则下列判断中正确的是(    )

A.加速运动中，马向前拉车的力大于车向后拉马的力

B.匀速运动中，马向前拉车的力大于车向后拉马的力

C.只有匀速运动时，马向前拉车的力的大小才等于车向后拉马的力的大小

D.无论是做加速运动还是做匀速运动，马向前拉车的力的大小总是等于车向后拉马的力的大小

4.下列说法中正确的是(    )

A.只有有生命或有动力的物体才会施力,无生命或无动力的物体只会受到力的作用,不会施力

B.在力的图示中,长的线段所对应的力一定比短的线段所对应的力大

C.任何一个物体,一定既是受力物体,也是施力物体

D.甲用力把乙推倒,说明只是甲对乙有力的作用,乙对甲没有力的作用

参考答案:

1.答案:BD

解析:一对平衡力是指大小相等、方向相反、作用在一条直线上、作用在同一个物体上的两个力.两个力的性质可以相同也可以不同，作用效果是相互抵消，符合二力平衡条件.作用力和反作用力是指大小相等、方向相反、作用在一条直线上的两个力.这两个力的性质一定相同，因为两个力作用在两个不同的物体上，作用效果不能相互抵消.

由上述分析可知，电灯受到的重力和电线对它的拉力作用在同一物体——电灯上，它们是一对平衡力，而不是一对作用力和反作用力，故A项错误,B项正确.电灯对电线的拉力性质上属于弹力，而电灯受到的重力性质上属于引力，故C项错误.电灯对电线的拉力和电线对电灯的拉力，性质上都属于弹力，分别作用在电线和电灯两个物体上，是一对作用力和反作用力，故D项正确.

2.答案:D

解析:汽车对拖车的拉力与拖车对汽车的拉力是一对作用力和反作用力，二者等值、反向，分别作用在拖车和汽车上，故A错.作用力和反作用力总是同时产生、同时变化、同时消失，故B错.不论匀速运动，还是加速运动，作用力和反作用力总相等，故C错.拖车能加速前进是因为汽车对拖车的拉力大于地面对它的摩擦阻力(包括其他阻力)，汽车能加速前进是因为地面对汽车向前的作用力大于拖车对它向后的拉力，符合牛顿第二定律，故D正确.

3.答案:D

解析:车做什么运动，与车所受的合力及初始条件有关，而马拉车的力与车拉马的力是一对相互作用力，根据牛顿第三定律，这对相互作用力的大小总是相等的，故D选项正确.

4.答案:C

解析:(1)不论物体是否有生命或是否有动力,它们受到别的物体作用时都会施力.马拉车时,车也拉马;书向下压桌子,桌子也向上推书,故A错.

(2)在同一个标度下,选项B是对的.在没有指明力的标度或采用不同标度时,线段的长度就没有意义或长的线段不一定对应着较大的力,该说法前提不明确,故B错.

(3)由于自然界中的物体都是互相联系的,找不到一个孤立的、不受其他物体作用的物体,故每一个物体都受到别的物体作用,是受力物体,也对其他物体施力,又是施力物体,故C正确.

(4)甲推乙的同时,乙也在推甲,力的作用是相互的,故D错误.