3.4牛顿第三定律
同学们，大家好。我是有着多年高中物理教学经验的老师，今天我们就把牛顿第三定律这个知识点，从现象到本质、从实验到应用，给大家彻彻底底讲明白，帮大家把易错点、高频考点一次性扫清。
前面我们学习的牛顿第一、第二定律，研究的是单个物体的受力和运动状态的关系，解决的是“一个物体的力怎么改变它的运动”的问题。但我们都知道，力是物体对物体的作用，只要有力，就一定有施力物体和受力物体。那两个物体之间的相互作用，到底遵循什么规律？这就是牛顿第三定律要解决的核心问题。
一、作用力与反作用力的概念
我们先从最熟悉的生活现象入手，建立基本认知：
- 你用手拍桌子，手会疼——因为你给桌子一个作用力的同时，桌子立刻给你的手一个反向的作用力；
- 运动员起跑时脚向后蹬地，能向前冲出去——脚给地面向后的作用力，地面同时给脚向前的反作用力；
- 两个穿轮滑鞋的同学，一人推另一人，两人同时向相反方向运动；两个同名磁极相对的小车，松开手后同时反向运动——哪怕不接触，力的作用也是相互的。
大量观察和现象都能得出一个核心结论：两个物体之间的作用，永远是相互的。只要一个物体对另一个物体施加了力，另一个物体一定同时对这个物体施加一个力。
我们把这一对相互作用的力，定义为作用力和反作用力：如果把其中一个力叫做作用力，另一个就叫做反作用力。
这里要特别强调：作用力和反作用力的命名是相对的、人为规定的，没有绝对的“谁是作用力、谁是反作用力”，它们永远成对出现、相互依存，没有作用力，就没有反作用力。
二、实验探究：作用力与反作用力的定量关系
我们从现象知道了力的作用是相互的，那这一对力的大小、方向、变化规律，到底有什么精准的定量关系？我们通过DIS力传感器实验来验证，这个实验也是考试的高频考点。
1. 实验核心信息
- 实验目的：定量探究作用力和反作用力的大小、方向、时间规律，验证规律是否与物体的运动状态有关。
- 实验器材：DISLab数据采集器、计算机、两个力传感器。
这里给大家讲一下器材选择的原因：弹簧测力计只能测静态、稳定的力，而力传感器可以实时、精准捕捉任意时刻的力的大小和方向，哪怕是动态变化的力、物体做变速/曲线运动时的力，都能完整记录，这样才能验证规律的普遍性。
2. 实验步骤的设计逻辑
- 软件调零后开始记录：调零是为了消除传感器自身重力、挂钩重力的系统误差，保证测量的是两个传感器之间的相互作用力。
- 两个传感器挂钩互钩，水平反向拉动，先做静止、匀速拉动的基础实验；
- 升级实验：让传感器做变速直线运动、曲线运动，同时不断改变拉力大小，全程记录数据。
这一步是实验的关键：我们要验证，哪怕物体不是平衡状态（静止/匀速），这个相互作用的规律是否依然成立。 - 停止记录，分析力随时间变化的图像。
3. 实验图像分析与结论
我们看教材里的力-时间图像，能得到三个无可辩驳的核心规律：
- 等大性：任意时刻，两个力的大小完全相等。两条曲线关于时间轴对称，一个力到20N的峰值，另一个力同时到-20N的峰值，没有任何时刻大小不等。
- 反向性：两个力的方向永远相反，且作用在同一条直线上（一个力为正，另一个力必为负）。
- 同时性：两个力同时产生、同时变化、同时消失。拉力增大时两个力同步增大，拉力减小时同步减小，一个力归零，另一个力立刻归零，没有任何先后之分。
最终实验结论：无论物体处于静止、匀速、变速直线还是曲线运动，无论力的大小如何变化，两个物体间的作用力和反作用力，永远大小相等、方向相反，同时产生、同时变化、同时消失。
三、牛顿第三定律的内容与公式
通过大量实验和观察归纳，我们得到了牛顿第三定律，它是经典力学的基本定律之一。
1. 定律的文字表述
两个物体之间的一对作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。
这里我必须把“总是”这两个字给大家讲透，这是大家最容易理解偏差的地方：
“总是”意味着这个规律没有例外：
- 不管物体是固体、液体、气体，不管是什么材质，都成立；
- 不管物体是静止、匀速，还是加速、减速、曲线运动，不管是平衡状态还是非平衡状态，都成立；
- 不管是接触力（弹力、摩擦力），还是非接触力（重力、磁力、电场力），都成立。
给大家举一个最经典的易错例子：火箭加速升空时，很多同学会觉得“火箭能加速，是因为燃料给火箭的推力，大于火箭给燃料的力”，这是完全错误的。
火箭对燃料向下的推力，和燃料对火箭向上的推力，是一对作用力和反作用力，哪怕火箭在加速，这两个力也永远大小相等。火箭能加速，是因为燃料给火箭的推力大于火箭自身的重力，火箭的合力向上，这是牛顿第二定律的内容，和牛顿第三定律不冲突，大家千万不要混淆。
2. 定律的公式表达
如果用\(F\)表示作用力，用\(F'\)表示反作用力，牛顿第三定律的矢量表达式为：
特别强调：公式里的负号，不是表示力的大小为负，而是表示作用力和反作用力的方向相反，这个公式完整表达了两个力“等大、反向”的矢量关系。
四、核心易错辨析：作用力与反作用力为什么不能抵消？
这是整个章节的高频易错点，也是考试的必考点，今天我给大家彻底讲明白，以后再也不会出错。
首先要明确：力的作用效果，是由受力物体决定的。一个力作用在哪个物体上，就只会对这个物体产生形变、改变运动状态的效果，对其他物体没有作用。
1. 不能抵消的核心原因
作用力和反作用力，分别作用在两个完全不同的物体上。
举个例子：你推箱子，你对箱子的推力，受力物体是箱子，效果是让箱子改变运动状态；箱子对你的反作用力，受力物体是你的手，效果是让你的手感受到压力、让你有后退的趋势。
两个力作用在两个不同的物体上，各自产生各自的效果，就像你打同学一拳，力作用在同学身上，同学会疼；反作用力作用在你手上，你会疼，这两个力永远不可能相互抵消。
2. 与平衡力的本质区别
很多同学会把作用力反作用力和平衡力搞混，因为它们都有“大小相等、方向相反、同一直线”的特点，但它们的本质天差地别。
平衡力的定义是：作用在同一个物体上的两个力，大小相等、方向相反、作用在同一直线，这两个力互为平衡力。
比如静止在地面上的箱子，受到的重力（地球给箱子，作用在箱子上）和支持力（地面给箱子，作用在箱子上），两个力都作用在箱子这同一个物体上，效果可以相互抵消，箱子保持静止，合力为零。
3. 三个绝对不能踩的误区
- 误区1：“先有作用力，后有反作用力”
纠正：错误。作用力和反作用力严格同时产生、同时变化、同时消失，没有任何先后顺序。 - 误区2：“只有物体静止/匀速时，作用力和反作用力才大小相等”
纠正：错误。牛顿第三定律的“总是”，说明规律与运动状态无关，哪怕物体加速、减速、做曲线运动，作用力和反作用力也永远大小相等。 - 误区3：“作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以合力为零”
纠正：错误。只有作用在同一个物体上的力才能合成求合力，作用力和反作用力作用在两个物体上，不满足力的合成条件，根本谈不上合力为零。
知识点归纳总结表格
表1 牛顿第三定律核心知识点汇总
| 项目 | 详细内容 |
|---|---|
| 定律名称 | 牛顿第三定律 |
| 核心研究对象 | 两个物体之间的相互作用力（作用力与反作用力） |
| 文字表述 | 两个物体之间的一对作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上 |
| 公式表达 | \(F=-F'\)（负号表示作用力与反作用力方向相反，为矢量式） |
| 作用力与反作用力的核心特性 | 1. 异体性：分别作用在两个不同的物体上 2. 等大性：大小永远相等，与物体运动状态无关 3. 反向性：方向永远相反，作用在同一条直线上 4. 同时性：同时产生、同时变化、同时消失，无先后之分 5. 同性质：两个力一定是同一种性质的力（弹力对应弹力、摩擦力对应摩擦力、引力对应引力） 6. 普遍性：对任何物体、任何运动状态、任何性质的力都成立，无例外 |
| 适用范围 | 宏观、低速运动的物体（经典力学范畴），惯性参考系中成立 |
表2 作用力与反作用力 和 一对平衡力 详细对比
| 对比维度 | 一对作用力与反作用力 | 一对平衡力 |
|---|---|---|
| 受力物体 | 作用在两个不同的物体上 | 作用在同一个物体上 |
| 力的性质 | 一定是同一种性质的力 | 不一定是同一种性质的力（如重力和支持力可以构成平衡力） |
| 时间关系 | 严格同时产生、同时变化、同时消失 | 无同时性，一个力消失，另一个力可以依然存在 |
| 作用效果 | 各自作用在对应受力物体上，效果不能相互抵消，不能合成求合力 | 作用在同一物体上，效果可以相互抵消，合力为零 |
| 与运动状态的关系 | 大小永远相等，与物体运动状态无关，平衡/非平衡状态都成立 | 只有物体处于平衡状态（静止/匀速直线运动）时，才满足等大反向的平衡条件 |
| 典型实例 | 手推桌子的力/桌子对手的反作用力；物体受到的重力/物体对地球的引力 | 静止物体的重力/地面对物体的支持力；匀速行驶汽车的牵引力/地面的摩擦力 |
同学们，我们接着上节课的知识点，来拆解这两道牛顿第三定律的经典例题，帮大家把理论落地到解题里，把易错点一次性扫清。
例1 详细解析
这道题是牛顿第三定律+二力平衡的基础核心题，是区分“作用力反作用力”和“平衡力”的经典模型，我们分两小问逐步拆解。
（1）木箱匀速直线运动时的受力分析
第一步：确定运动状态，明确受力分析原则
木箱向右做匀速直线运动，属于平衡状态，水平、竖直两个方向的合力都为0，我们分方向分析受力，避免混乱。
第二步：分方向分析木箱受到的力及大小
木箱一共受到4个力的作用：
- 竖直方向
- 重力\(G\)：施力物体是地球，大小\(G=30\ \text{N}\)，方向竖直向下。
- 地面对木箱的支持力\(N\)：施力物体是水平地面，竖直方向平衡，因此支持力与重力等大反向，\(N=G=30\ \text{N}\)，方向竖直向上。
- 水平方向
- 水平向右的推力\(F\)：施力物体是推木箱的人，大小\(F=15\ \text{N}\)，方向水平向右。
- 地面对木箱的滑动摩擦力\(f\)：施力物体是粗糙地面，水平方向平衡，因此摩擦力与推力等大反向，\(f=F=15\ \text{N}\)，方向水平向左。
第三步：对应每个力的反作用力（紧扣牛顿第三定律）
作用力与反作用力的核心是施力物体、受力物体互换，同性质、等大反向、同时存在，因此：
- 重力的反作用力：木箱对地球的万有引力（吸引力），大小\(30\ \text{N}\)，方向竖直向上。
- 支持力的反作用力：木箱对地面的压力，大小\(30\ \text{N}\)，方向竖直向下。
- 推力\(F\)的反作用力：木箱对推它的人的反推力，大小\(15\ \text{N}\)，方向水平向左。
- 滑动摩擦力\(f\)的反作用力：木箱对地面的滑动摩擦力，大小\(15\ \text{N}\)，方向水平向右。
第四步：判断平衡力（紧扣平衡力的核心：同体、等大、反向、共线）
平衡力必须作用在同一个物体（木箱）上，因此：
- 竖直方向：木箱受到的重力\(G\)和地面对木箱的支持力\(N\)，是一对平衡力。
- 水平方向：木箱受到的水平推力\(F\)和地面对木箱的滑动摩擦力\(f\)，是一对平衡力。
（2）撤去推力后，答案的变化
撤去推力的瞬间，木箱因惯性继续向右滑动，受力、反作用力、平衡力均发生对应变化：
- 受力的变化
- 竖直方向：重力\(G\)、支持力\(N\)没有变化，依然是\(G=N=30\ \text{N}\)。
- 水平方向：推力\(F\)立即消失；但木箱仍向右滑动，接触面粗糙程度、压力均不变，因此滑动摩擦力\(f\)依然存在，大小仍为\(15\ \text{N}\)，方向水平向左，此时木箱水平方向合力不为0，做减速直线运动。
- 反作用力的变化
- 重力、支持力的反作用力，与之前完全一致，无变化。
- 推力的反作用力，随推力的消失同时消失（作用力与反作用力同时产生、同时消失）。
- 滑动摩擦力的反作用力依然存在，与之前一致，还是木箱对地面15N、水平向右的滑动摩擦力。
- 平衡力的变化
- 竖直方向：重力和支持力依然是一对平衡力，无变化。
- 水平方向：推力消失，原有的推力与摩擦力的平衡关系不存在，水平方向无平衡力。
例2 详细解析
这道题是牛顿第二定律+牛顿第三定律的综合高频题，核心是用“隔离法”分析连接体问题，也是同学们最容易出错的题型，我们按步骤拆解。
第一步：明确已知条件，确定解题思路
已知：竹竿质量\(M=5\ \text{kg}\)，人的质量\(m=50\ \text{kg}\)，人下滑的加速度\(a=2\ \text{m/s}^2\)，\(g=10\ \text{m/s}^2\)。
解题逻辑：先隔离有加速度的人，用牛顿第二定律求人受到的摩擦力→根据牛顿第三定律，得到人对竹竿的摩擦力→再隔离静止的竹竿，用平衡条件求肩对竹竿的支持力→再根据牛顿第三定律，得到竹竿对肩的压力。
第二步：隔离下滑的人，用牛顿第二定律求摩擦力
对人进行受力分析：人受到2个力
- 竖直向下的重力：\(G_{\text{人}}=mg=50\times10=500\ \text{N}\)
- 竹竿对人竖直向上的滑动摩擦力\(f\)（人相对竹竿向下滑，摩擦力阻碍相对运动，方向向上）
人的加速度竖直向下，因此合力方向竖直向下，根据牛顿第二定律\(F_{\text{合}}=ma\)，列方程：
代入数值计算：
解得：\(f=400\ \text{N}\)，即竹竿对人的摩擦力大小为400N，方向竖直向上。
第三步：根据牛顿第三定律，得到人对竹竿的摩擦力
竹竿对人的摩擦力\(f\)，和人对竹竿的摩擦力\(f'\)，是一对作用力与反作用力，因此：
\(f'=f=400\ \text{N}\)，方向与\(f\)相反，即竖直向下。
第四步：隔离竹竿，用平衡条件求肩对竹竿的支持力
竹竿静止在肩上，处于平衡状态，竖直方向合力为0。
对竹竿受力分析：竹竿受到3个力
- 竖直向下的重力：\(G_{\text{竿}}=Mg=5\times10=50\ \text{N}\)
- 人对竹竿竖直向下的摩擦力\(f'=400\ \text{N}\)
- 肩对竹竿竖直向上的支持力\(N\)
根据平衡条件，向上的力等于向下的力之和：
第五步：根据牛顿第三定律，得到最终答案
肩对竹竿的支持力\(N\)，和竹竿对肩的压力\(N'\)，是一对作用力与反作用力，大小相等，因此：
竹竿对肩的压力大小为\(450\ \text{N}\)，本题答案选\(\boldsymbol{D}\)。
本题易错点提醒
- 错误直接将人和竹竿的重力相加（500+50=550N）选B，忽略了人加速下滑处于失重状态，对竹竿的作用力不等于自身重力。
- 牛顿第二定律方程列反，错误写成\(f - mg = ma\)，导致摩擦力大小计算错误。
- 搞反人对竹竿的摩擦力方向，导致支持力计算错误。
- 忽略最后一步牛顿第三定律的逻辑，混淆“肩对竹竿的支持力”和“竹竿对肩的压力”，虽然大小相等，但解题逻辑必须严谨。
posted on 2026-02-22 22:00 Indian_Mysore 阅读(0) 评论(1) 收藏 举报
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