牛顿第三运动定律 百科内容来自于: 百度百科

牛顿第三运动定律的常见表述是:相互作用的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,作用在同一条直线上。该定律是由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中提出的。牛顿第三运动定律和第一、第二定律共同组成了牛顿运动定律,阐述了经典力学中基本的运动规律。

定义定律

相互作用的两个物体之间的作用力反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,表达式为

定律特点

牛顿第三运动定律研究的是物体之间相互作用制约联系的机制,研究的对象至少是两个物体,多于两个以上的物体之间的相互作用,总可以区分成若干两两相互作用的物体对。
作用力和反作用力是相互的,互相依赖相为依存,均以对方存在为自已存在的前提,没有反作用力的作用力是不存在的;力具有物质性,不能脱离开物体(物质)而存在;力总是两个以上物体之间的相互作用产生的。
牛顿第三定律也具有瞬时性,即作用力和反作用力的同时性,它们是同时产生、同时消失、同时变化,作用力与反作用力的地位是对等的,称谁为作用力谁为反作用力是无关紧要的。
作用力和反作用力必须是同一性质的力,即作用力为弹力反作用力也一定是弹力,反之亦然。而自然界仅有四类基本的相互作用,即电磁相互作用引力相互作用强相互作用弱相互作用,所以从本质上区分力的性质也仅存在这四种,作用力与反作用力确实必须属于同一性质的力。
作用力和反作用力不能求和,即不能将第三定律写成
,原因是作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上,各自产生的作用效果不同。作用力与反作用力的作用效果不能相互抵消。

实验验证

牛顿第三运动定律主要的实验验证方法
实验验证方法 图示
定性实验:
取一根长约15厘米两端开口的细玻璃管,管的值径约3毫米(能使火柴进出),用两根火柴装入管中,使火柴头在管的中间互相接触,然后放平。用酒精灯对准火柴头加热、不久因玻璃管受热升温。火柴头达到着火点迅速燃烧,气体相互压迫,两根火柴杆从两管的开口处同时飞出,并观察到继续燃烧,飞出的路程大约相等,说明物体的作用是相互的。
定量实验:
选取两个力学传感器,保持两个传感器在同一平面上,让两传感器的测力钩相互钩住或相抵,通过数据采集软件可以分别得到两条力-时间图线,如图1和图 2所示,同时得到该时间段的作用力和反作用力随时间变化的实时数据。通过观察,可以看出作用力和反作用力与时间的对应关系,任意时刻这两个个力的大小基本一致,表示两个力大小相等。
这种实验方案,不仅适用于量化水平面上的相互作用力,而且适用于量化竖直平面或与竖直方向成任意角度的同一平面上的相互作用力,只要和两个力处于同一平面,就可以精确模拟作用力与反作用力,体现了两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,作用在同一直线上,更加直观有效的突出牛顿第三定律的普适性。

适用范围

牛顿第三运动定律只适用于惯性系中实物物体之间的相互作用,如在电磁场中运动的电子,将受到电磁场力作用,但无从谈论电子对电磁场的反作用力;非惯性系中的惯性力无反作用力;由场参与的相互作用,其作用传递是需要时间,作用与反作用的同时性不成立。第三定律是独立的,但也存在适用范围。
第三定律在类似“无论相互作用的两物体是静止的还是运动的,该定律都成立”的表述后,曾被加上一段说明,“如果把该定律应用于电磁场将会遇到困难……分别作用于带电粒子的力,并不符合该定律”或“不能把该定律推广到相对论中”或“不能把该定律推广到运动带电粒子上”或“电磁场是一个特别麻烦的系统,当这样的场出现时,就会引起佯谬……该定律明显失效……如果把场考虑进去,佯谬就可以在牛顿体系中得到解决”或“该定律不是经常正确的,但它在接触相互作用(即在物体直接接触情况下,观察到的相互作用)以及彼此间‘有一定距离的静止物体相互作用的情况下是完全严格成立的”等。如将该律表述为:“两接触物体(包括粒子和场)之间的作用和反作用,大小相等,方向相反,作用在一条直线上”,那么一切“失效”、“不成立”之说都不复存在。虽然新旧表述只是“接触”两字之差,但却更明显地反映了近距作用的观点,这样的表述既适用于电磁相互作用,又可推广到相对论中。
经典力学中,第三定律成立的条件是:宏观物体作低速运动。当物体的运动速度接近光速时,作用力和反作用的大小一般不再相等。对于接触力,该定律严格成立,对于非接触力,例如万有引力和电磁力,由于相互作用通过场以有限速度传播,需要考虑推迟效应。具体到引力作用,由于在普遍力学问题中,物体相距较近,而相对运动速度又不大,且认为引力场是稳恒的,故该定律仍成立(严格说应是“近似成立”,)。至于电磁力的情形,对于电磁作用除了需考虑推迟效应外,还需考虑另一个因素。由于两个带电体系之间的相互作用是靠第三者亡一电磁场来传递,故参与电磁相互作用的客体不再只是两个,而是三个,因而情形就变得复杂些。若将三个客体(即两个带电体系和电磁场)视为一个封闭系统,由电动力学可知,当客体的运动状态发生改变时,整个系统的动量依然守恒。在电磁现象中,对于两带电体系在稳恒场中的相互作用,第三定律成立(严格说是近似成立),对于发生在变化场中的相互作用,该定律不再成立。由于电磁现象中的多数情形为非稳恒场,故该定律在电磁现象中一般不成立。一般说来,微观粒子不再遵从该定律,但在经典的分子热运动中,对于分子之间的碰撞问题,仍可使用该定律。

发展简史

十七世纪中叶,碰撞问题成为科学界共同关心的课题,不少科学家都致力于该问题的研究。当时,对碰撞问题研究较早的有笛卡尔。1664年,牛顿受到笛卡尔的影响,也开始研究二个球形非弹性刚体的碰撞问题。1665—1666年间牛顿又研究了二个球形刚体的碰撞问题。他没有像其它科学家那样把注意力集中在动量和动量守恒方面,而是把注意力放在物体之间的相互作用上,对于两刚体的碰撞,他提出,“··一于是在它们向彼此运动的时间中(就是它们相碰的瞬间)它们的压力处于最大值,……它们的整个运动是被此一瞬间彼此之间的压力所阻止,……只要这两个物体都不互相屈服,它们之间将会持有同样猛烈的压力,……它们将会象以前弹回之前彼此趋近那样多的运动相互离开。”
上面这段话可看出,牛顿当时就已认识到在物体相互碰撞的瞬间,它们的运动被彼此之间的压力所改变。稍后,牛顿又认识到:“如果二物体p和r彼此相遇,因为p压r和r压p是一样大小,所以二者的阻力是相同的。”同时他还用图形明确表示p压r和r压p的力是在同一条直线上。
由此可见,牛顿在1665—1666年间就已经意识到了牛顿第三定律的全部内容,但是将它作用牛顿运动三定律之一在《自然哲学的数学原理》一书中正式提出,却是20多年以后的事,在1668—1669年间,惠更斯、沃里斯和雷恩对碰撞问题也做了很多研究工作,并得出了一些重要的结论,其中惠更斯的工作比较突出。他证明了两硬体在碰撞过程中同一方向的动量保持不变,纠正了笛卡尔不考虑动量具有方向性的错误,而且首次提出碰撞前后的动量守恒。牛顿在正式提出第三定律时肯定了他们的工作,同时也指出了他们的局限性。牛顿认为:“雷恩和惠更斯的理论以绝对硬的物体为前提,而用理想弹性体可以得到更肯定的结果,并且用非理想弹性体,如压紧的木球、钢球和玻璃球做实验,消除误差后结果是一致的。”
1666年初,牛顿创立了三大运动定律,这些定律为他发明微积分和发现地球引力创造了必不可少的条件。但直到20年后哈雷鼓励牛顿写《自然哲学的数学原理》时,牛顿才公布了他创立的三大定律。
1673年,马利奥用两个单摆做碰撞实验,巧妙地测出了碰撞前后的瞬时速度。牛顿也重复做了此实验,他进一步讨论了空气阻力的影响及改进办法,并对结果进行了修正。
这样,牛顿正是从研究、总结碰撞问题出发提出了作用与反作用定律,并从理论和实验两方面进行了验证。1687年,牛顿才正式将第三定律作为“运动定律三”提了出来,他写道::“每一个作用总有一个大小相等而方向相反的反作用;或者说,两个物体的相互作用总是大小相等方向相反。”1684年,让·皮卡尔第一次精确地求出了地球的大小和质量。有了这些必要的数字,牛顿就能证明:利用三大运动定律和他的重力方程式可以正确地计算出行星运动的真实轨道。即使有了确凿的数学证据,牛顿也只是在哈雷的请求和说服下于1687年发表了《自然哲学的数学原理》,发表这本书最主要的原因是罗伯特·胡克错误地声称他自己已经发现了运动的普遍规律。
从牛顿第三定律的发现过程可以看出,牛顿从力的观点出发研究碰撞问题时发现作用与反作用定律,他是在别人对动量研究的基础上,更深入一步,从而揭示了两物体碰撞时力的相互作用规律的。因此,如果说牛顿第一、第二定律是牛顿在总结前人工作的基础上提出的话,那么牛顿第三定律则完全是牛顿本人独立作出的伟大发现。

应用领域

牛顿第三运动定律是研究质点系运动规律的基础,一般来说接触物体之间相互作用都遵从该定律,对于相隔一定距离物体之间的相互作用要看具体情况。
在A物体给B物体一个作用力F的同时,B物体也给A物体一个反作用力F 。当B物体静止时F =-F,当B物体运动(或者作用点滑动)时F <-F,这时反作用力等于B物体在F的作用下运动所受到的阻力F阻,即F =F 。综合上述两种状况得:F =F ≤-F。以根据“空吸(卷吸)作用”原理设计一种尾喷管,从轮船的后侧面吸水经尾喷管喷出,通过增加喷水量来获得更大的反作用力,从而提高推进效率。此外,F =F ≤-F还能广泛用于指导飞机、火箭和车辆等运动机械的制造设计,对于提高它们的推进效率都会大有帮助。

定律影响

牛顿第三运动定律不仅揭示两物体相互作用的规律,而且为解决力学问题,转换研究对象提供了理论基础,拓宽了牛顿第二定律的适用范围,是牛顿物理学中不可分割的重要组成部分。
于是由仅关注单一物体(只研究一个物体)的第一定律和第二定律出发,结合第三定律扩展了研究对象,就自然而然地解决了全部不论多么复杂的系统的动力学问题了。第三定律是确实是完全独立的基本规律,它不能由第二定律推演得出,第二定律也代替不了第三定律,第一定律更不能取代第三定律。
牛顿第三运动定律揭示了两个物体之间相互作用的关系。第三定律与动量守恒定律等将有关物体的运动关联起来,揭示了“内力”的涵义;和万有引力定律开创了天体力学,揭示了日、月、星辰的运行规律。该定律还给出了对自然力的普遍陈述,所有力都可以归属到第三定律所定义的自然力的范畴之中。
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