高中物理 备课资料5《牛顿第三定律》 新人教版必修1.docVIP

人教版高一物理必修1备课资料5《牛顿第三定律》 一、牛顿第三定律的适用范围 牛顿运动定律是建立在绝对时空以及与此相适应的超距作用基础上的.所谓超距作用，是指分离的物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用.也就是说相互作用以无穷大的速度传递. 除了上述基本观点以外，在牛顿的时代，人们了解的相互作用，如万有引力、磁石之间的磁力以及相互接触物体之间的作用力，都是沿着相互作用的物体的连线方向，而且相互作用的物体的运动速度都在常速范围内. 在这种情况下，牛顿从实验中发现了第三定律.“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其双方.”作用力和反作用力等大、反向、共线，彼此作用于对方，并且同时产生，性质相同，这些常常是我们讲授这个定律要强调的内容.而且，在一定范围内，牛顿第三定律与物体系的动量守恒是密切相联系的. 但是随着人们对物体间的相互作用的认识的发展，19世纪发现了电与磁之间的联系，建立了电场、磁场的概念；除了静止电荷之间有沿着连线方向相互作用的库仑力外，发现运动电荷还要受到磁场力即洛伦兹力的作用；运动电荷又将激发磁场，因此两个运动电荷之间存在相互作用.在对电磁现象研究的基础上，麦克斯韦（1831——1879）在1855——1873年间完成了对电磁现象及其规律的大综合，建立了系统的电磁理论，发现电磁作用是通过电磁场以有限的速度（光速c）来传递的，后来为电磁波的发现所证实. 物理学的深入发展，暴露出牛顿第三定律并不是对一切相互作用都是适用的.如果说静止电荷之间的库仑相互作用是沿着两电荷的连线方向，静电作用可当作以“无穷大速度”传递的超距作用，因而牛顿第三定律仍适用的话，那么，对于运动电荷之间的相互作用，牛顿第三定律就不适用了.如图4510所示，运动电荷B通过激发的磁场作用于运动电荷A的力为FAB（并不沿AB的连线），而运动电荷A的磁场在此刻对B电荷却无作用力（图中未表示它们之间的库仑力）.由此可见，作用力FAB在此刻不存在反作用力，作用与反作用定律在这里失效了. 图4-5-10 实验证明：对于以电磁场为媒介传递的近距作用，总存在着时间的推迟.对于存在推迟效应的相互作用，牛顿第三定律显然是不适用的.实际上，只有对于沿着两物连线方向的作用（称为有心力），并可以不计这种作用传递时间（即可看作直接的超距作用）的场合中，牛顿第三定律才有效. 但是在牛顿力学体系中，与第三定律密切相关的动量守恒定律，却是一个普遍的自然规律.在有电磁相互作用参与的情况下，动量的概念应从实物的动量扩大到包含场的动量；从实物粒子的机械动量守恒扩大为全部粒子和场的总动量守恒，从而使动量守恒定律成为普适的守恒定律. 二、拔河比赛中的力学知识 拔河比赛是一项集体比赛运动，要想取胜，除充分利用有利因素外，还要掌握一定的技巧.下面以两人为例分析取胜的条件. 假设两人拔河，拔河用的绳子质量不计且保持水平，拔河人双脚并立视为一点.取拔河的整体视为研究对象，系统所受的力有：人的重力G1、G2，地面对人的支持力N１、N２，地面对人的静摩擦力f１、f２（图４-５-11），图中Ｆ１与Ｆ２是系统的一对大小相等的内力，内力不影响系统的运动状态变化，G１与N１、G２与N２的矢量和为零，可见拔河的胜负（系统运动状态的改变）取决于地面对人的静摩擦力f１、f2. 图4-5-11 隔离拔河比赛中的一方作为研究对象，例如图4-5-11中的左方.当人保持不动时，f1随Ｆ1变化始终有f1=Ｆ１.以着地点为支点还有Ｆ１L=G１d，这就是拔河比赛过程中的相持阶段.若Ｆ１超过了f1的最大值，人将出现前滑；若Ｆ１LG１d，人将出现前倾；如果Ｆ１LG１d，人将后倾.前滑前倾时人的重心将前移，实际的拔河过程中，人的脚会不自主地向前移动，如不能及时改变前移状态则必然会导致失败；后倾时重心后移，为防止向后倾斜，人的脚会不由自主地向后移动，如能继续后移、后倾，便能胜利. 后倾取胜的实质是通过增大d值，获得增大的静摩擦力.设f′、N′是f1、N1的反作用力（见图4-5-12），人对地的蹬力F的水平分力和竖直分力就是f′、N′，由于人对地的压力N′大小始终等于人的重力，故蹬力的倾角θ的增大，是蹬力增大的必然结果，增大了蹬力F，就有效地增大了地对人的静摩擦力.根据最大静摩擦力fm=μ0G，可求出蹬力的最大倾角θm=arctanμ0，相应的最大蹬力Fm=（见图4-5-12）. 图4-5-12 所以拔河比赛中，争取较大的静摩擦因数，即在拔河比赛规则允许的条件下选择鞋子、场地是不可忽视的.选派大质量的运动员非常重要，能否在拔河比赛中有效地获得最大蹬力的倾角是拔河的技