师:同学们,今天我们来学习粤教版物理必修一第四单元的牛顿第三定律。先来看两个实验现象。拿鸡蛋撞击石头,鸡蛋被击碎而石头无损,这表明鸡蛋给了石头一个力的作用,同时石头也给了鸡蛋一个力的作用,即鸡蛋和石头之间力的作用是相互的。那么石头作用于鸡蛋的力与鸡蛋作用于石头的力有什么关系呢?再看,坐在转椅上的人推桌子,人给了桌子一个向前的力,人却往后退了,说明桌子给了人一个向后的力,物体间力的作用是相互的。那人作用于桌子的力与桌子作用于人的力又有什么关系呢?通过本节课的学习,我们就能回答这些问题。
接下来继续看几个实验现象。手用力拍桌面,手给桌面施加了一个力,这时手有什么感觉?这一现象说明了什么?同学们都有过这种感受,手拍桌面手会感觉疼,这说明手给桌面施加力的同时,桌面也给手施加了力,即弹力的作用是相互的。
再看,水平桌面上有一排圆形小木棍,上面放一木板,让玩具电动小车从木板左端向右端运动,请同学们注意观察小车向右运动时,木板的运动状态有怎样的变化?这个现象说明了什么?玩具电动小车向右运动的同时,木板向左运动,说明小车受到木板对它向右的摩擦力,木板也受到小车对它向左的摩擦力,小车和木板之间的摩擦力是同时发生且方向相反的。
以上两个实验现象分别说明弹力和摩擦力这些需要接触的力的作用是相互的,那不需要接触的力的作用是不是也是相互的呢?来看,两辆小车上载有蹄形磁铁,让车上蹄形磁铁的同名磁极相对,用双手将两辆小车固定在距离较近的位置,若双手同时撤去,请同学们观察两辆小车的运动情况,并思考此现象说明了什么。
由实验可以看到,松手后两辆小车同时向相反方向运动,说明两辆小车都受到了彼此的磁力作用,即不需要接触的力的作用也是相互的。观察和实验都表明,无论是否接触,两个物体之间的作用力总是相互的。一个物体对另一个物体有作用力时,同时也受到另一个物体对它的作用力,它们总是成对出现。我们把两个物体间的这种相互作用力称为作用力与反作用力。那么作用力与反作用力之间有什么关系呢?研究作用力与反作用力的关系时,可以从力的三要素——大小、方向、作用点来研究。
由上面的实验结果可知,作用力与反作用力分别作用在两个不同的物体上,那么作用力与反作用力的方向又有什么关系呢?通过前面的例子,大家有什么猜想吗?大家大概能认识到,作用力的方向与反作用力的方向相反。接下来看这个实验,把两个小磁针放在桌面上,磁针A位于圆心处,磁针B位于圆周上。分析磁针A和磁针B所受磁力的方向,小磁针的指向就是小磁针受到的磁力方向,可知B对A的磁力向右,A对B的磁力向左,且在同一直线上。让磁针B绕着磁针A在圆周上缓慢运动,观察两个磁针的指向,分析两个磁针所受磁力的方向。可以看到磁针A和磁针B在同一直线上,且方向相反,说明它们之间的作用力与反作用力方向相反,作用在同一直线上。
接下来探究作用力与反作用力大小之间的关系,同学们想一想可以用什么实验器材呢?对,就是弹簧测力计。下面研究两个弹簧测力计之间的相互作用力。首先在水平桌面上把两个弹簧测力计甲和乙的挂钩连在一起,固定弹簧测力计乙的一端,用手拉弹簧测力计甲,请同学们注意观察两弹簧测力计示数。可以观察到,二者的指针同时移动,甲的指针向左移动,乙的指针向右移动,稳定后,两者指针指示的示数都相同,这说明了什么呢?说明了两个弹簧测力计之间的作用力与反作用力大小相等。
这个实验中,弹簧测力计乙是静止的。实验结论与乙的运动状态有没有关系呢?乙在运动状态下作用力与反作用力大小是否也是相等的呢?继续实验。将弹簧测力计甲、乙都不固定,用手在水平桌面上相互对拉甲和乙,观察弹簧测力计示数。同学们可以看到,无论是单独拉弹簧测力计甲,还是相互对拉弹簧测力计甲和乙,都能观察到二者的指针同时移动,稳定后,两者指针指示的示数都相同,说明甲、乙弹簧测力计间的作用力与反作用力的大小相等,并且与运动状态无关。
有同学说在进行上面两个实验时,弹簧测力计的示数是变化的,很难读数,可能有较大的实验误差。那么为了更准确地知道作用力与反作用力的大小关系,我们需要更精密的实验仪器来记录时时刻刻作用力与反作用力的大小变化。我们可以借助力传感器来进行实验,它能实时显示力的大小,并且通过电脑显示力的变化关系,这就是我们使用的力传感器。
用力传感器替代上面实验中的弹簧测力计,在计算机上建立F - t图像,记录两个传感器的力随时间变化的图线。首先在保持传感器静止的状态下对拉,请同学们观察。横轴代表时间,纵轴代表拉力的大小,在横轴上拉力的大小为0。在横轴上方,拉力为正,代表拉力的方向是正方向;横轴下方拉力为负,代表拉力的方向与正方向相反。电脑上显示红蓝两条曲线,分别表示两个传感器上面的弹力随时间的变化。可以看到红蓝两条线一上一下,每时每刻都是关于时间轴对称的,这就代表两个传感器上弹力无时无刻都是大小相等且方向相反的。然后继续实验,在传感器运动的状态下对拉,观察两条图线会有什么发现?可以看到,不管力传感器是静止状态还是运动状态,两个力传感器之间的作用力与反作用力同时增大、同时减小,总是大小相等、方向相反的。
大量的观察和实验都表明,两个物体之间的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。这就是牛顿第三定律。无论接触与否,也无论是运动还是静止,两物体间的作用力与反作用力都遵循牛顿第三定律。作用力与反作用力分别作用在两个不同的物体上,它们同时产生,同时消失,是同种性质的力。
有了牛顿第三定律以后,我们可以分析很多力学问题了。首先讨论以下几个问题,一本书静置在水平桌面上,请同学们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,找出一对作用力与反作用力和一对平衡力之间的区别。
