淺談牛頓第三定律內(nèi)涵和外延

趙曉涵

（山東省臨沂市第一中學(xué)，山東 臨沂 276000）

淺談牛頓第三定律內(nèi)涵和外延

趙曉涵

（山東省臨沂市第一中學(xué)，山東 臨沂 276000）

牛頓第三定律是指作用在兩個(gè)物體的一對(duì)作用力方向相反、大小相等、作用在同一直線上、作用在不同的兩個(gè)物體上。它具有以下性質(zhì)：①力的作用是相互的。同時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)消失。②相互作用力一定是相同性質(zhì)的力。③作用力和反作用力作用在兩個(gè)物體上，產(chǎn)生的作用不能相互抵消。④作用力也可以叫做反作用力，只是選擇的參照物不同。⑤作用力和反作用力因?yàn)樽饔命c(diǎn)不在同一個(gè)物體上，所以不能求合力。但是物理學(xué)的深入發(fā)展，暴露出牛頓第三定律并不是對(duì)一切相互作用都是適用的。實(shí)際上，只有對(duì)于沿著二物連線方向的作用（稱為有心力），并可以不計(jì)這種作用傳遞時(shí)間（即可看做直接的超距作用）的場(chǎng)合中，牛頓第三定律才有效。

牛頓第三定律；思考；作用力；反作用力

牛頓第三定律，作為經(jīng)典力學(xué)中動(dòng)力學(xué)三大基本定律之二，自牛頓獨(dú)創(chuàng)起，數(shù)百年來經(jīng)受了無數(shù)次的考驗(yàn)，得到了世人的普遍認(rèn)可。牛頓第三定律的內(nèi)容是：兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

一、牛頓第三定律的質(zhì)疑

有些同學(xué)卻對(duì)牛頓第三定律質(zhì)疑。認(rèn)為牛頓第三定律在某些情況下是不成立的。一位位同學(xué)舉了這樣—個(gè)例子：甲班和乙班的同學(xué)進(jìn)行了一場(chǎng)拔河比賽，結(jié)果甲班輸了，這位同學(xué)指出：“根據(jù)牛頓第三定律，在拔河時(shí)，甲隊(duì)對(duì)乙隊(duì)的拉力和乙隊(duì)對(duì)甲隊(duì)的拉力是一對(duì)作用力與反作用力，兩力大小相等，方向相反，那么兩隊(duì)?wèi)?yīng)是永遠(yuǎn)相持不下，么會(huì)分出勝負(fù)呢?牛頓第三定律出錯(cuò)了。拔河比賽有勝負(fù)，難道兩隊(duì)拉力真的大小不相等嗎?不是的，那么牛頓第三定律出錯(cuò)了嗎?也不是的。我們先來對(duì)拔河比賽進(jìn)行受力分析：

這里有三對(duì)作用力與反作用力,即：甲隊(duì)對(duì)乙隊(duì)的拉力F甲→乙,乙隊(duì)對(duì)甲隊(duì)的拉力F乙→甲；甲隊(duì)同學(xué)腳踏地的力F甲→地及地面對(duì)甲隊(duì)同學(xué)的腳的反作用力F地→甲；乙隊(duì)同學(xué)腳蹬地的力 F乙→地及地面對(duì)乙隊(duì)同學(xué)的腳的反作用力F地→乙。

據(jù)牛頓第三定律可得：

F甲→乙=F乙→甲

F甲→地=F地→甲

F乙→地=F地→乙

以上是用隔離法受力分析得到的。若用整體法分析，則甲乙隊(duì)和拔河的繩子為一個(gè)整體系統(tǒng)，這一系統(tǒng)只受到兩個(gè)外力；地面對(duì)電隊(duì)員腳的反作用力F地→甲和地面對(duì)乙隊(duì)隊(duì)員腳的作用力F地→乙。由此可見，當(dāng)（只限）時(shí)，甲隊(duì)獲勝；反之，整體統(tǒng)向乙方移動(dòng)。所以，哪隊(duì)的蹬力大，地面對(duì)該隊(duì)的反作用力就大，就能取勝。

牛頓第三定律與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是無關(guān)的。不論馬是加速或勻速前進(jìn)，或是靜止。馬拉車的力總是與車?yán)R的力相等的。馬和車之所以能產(chǎn)生加速度，對(duì)馬來講，是因?yàn)榈孛鎸?duì)馬向前的靜摩擦力大于車對(duì)馬的力；對(duì)于車來講，是因?yàn)轳R拉車的力大于地面對(duì)車的阻力。在牛頓力學(xué)的框架中，物體之間相互作用力具有一下特點(diǎn)：作用在兩個(gè)物體的一對(duì)作用力方向相反、大小相等、作用在同一直線上、作用在不同的兩個(gè)物體上。這就是牛頓第三定律。表達(dá)式：F1=-F2，F(xiàn)1表示作用力，F(xiàn)2表示反作用力，“-”號(hào)表示兩個(gè)力方向相反。它有以下的性質(zhì)：①力的作用是相互的。同時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)消失。②相互作用力一定是相同性質(zhì)的力③作用力和反作用力作用在兩個(gè)物體上，產(chǎn)生的作用不能相互抵消。④作用力也可以叫做反作用力，只是選擇的參照物不同⑤作用力和反作用力因?yàn)樽饔命c(diǎn)不在同一個(gè)物體上，所以不能求合力。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是建立在絕對(duì)時(shí)空以及與此相適應(yīng)的超距作用基礎(chǔ)上的所謂超距作用，是指分離的物體間不需要任何介質(zhì)，也不需要時(shí)間來傳遞它們之間的相互作用。也就是說相互作用以無窮大的速度傳遞。

除了上述基本觀點(diǎn)以外，在牛頓的時(shí)代，人們了解的相互作用。如萬有引力、磁石之間的磁力以及相互接觸物體之間的作用力，都是沿著相互作用的物體的連線方向，而且相互作用的物體的運(yùn)動(dòng)速度都在常速范圍內(nèi)。

二、牛頓第三定律的擴(kuò)展

在這種情況下，牛頓從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了第三定律。“每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它相對(duì)抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等，并且各自指向其對(duì)方?！弊饔昧头醋饔昧Φ却?、反向、共線，彼此作用于對(duì)方，并且同時(shí)產(chǎn)生，性質(zhì)相同，這些常常是我們講授這個(gè)定律要強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。而且，在一定范圍內(nèi)，牛頓第三定律與物體系的動(dòng)量守恒是密切相聯(lián)系的。但是隨著人們對(duì)物體間的相互作用的認(rèn)識(shí)的發(fā)展，19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系，建立了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念；除了靜止電荷之間有沿著連線方向相互作用的庫(kù)侖力外，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電荷還要受到磁場(chǎng)力即洛倫茲力的作用；運(yùn)動(dòng)電荷又將激發(fā)磁場(chǎng)，因此兩個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷之間存在相互作用力。在對(duì)電磁現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上，麥克斯韋（1831-1879）在1855～1873年間完成了對(duì)電磁現(xiàn)象及其規(guī)律的大綜合、建立了系統(tǒng)的電磁理論，發(fā)現(xiàn)電磁作用是通過電磁場(chǎng)以有限的速度（光速c）來傳遞的，后來為電磁波的發(fā)現(xiàn)所證實(shí)。

物理學(xué)的深入發(fā)展，暴露出牛頓第三定律并不是對(duì)一切相互作用都是適用的。如果說靜止電荷之間的庫(kù)侖相互作用是沿著二電荷的連線方向，靜電作用可當(dāng)作以“無窮大速度”傳遞的超距作用，因而牛頓第三定律仍適用的話，那么，對(duì)于運(yùn)動(dòng)電荷之間的相互作用，牛頓第三定律就不適用了。如圖所示。運(yùn)動(dòng)電荷B通過激發(fā)的磁場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電荷A的力為（并不沿AB的連線），而運(yùn)動(dòng)電荷A的磁場(chǎng)在此刻對(duì)B電荷卻無作用力（圖中未表示它們之間的庫(kù)侖力）。由此可見，作用力在此刻不存在反作用力，作用與反作用定律在這里失效了。

實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于以電磁場(chǎng)為媒介傳遞的近距作用，總存在著時(shí)間的推遲。對(duì)于存在推遲效應(yīng)的相互作用，牛頓第三定律顯然是不適用的。實(shí)際上，只有對(duì)于沿著二物連線方向的作用（稱為有心力），并可以不計(jì)這種作用傳遞時(shí)間（即可看做直接的超距作用）的場(chǎng)合中，牛頓第三定律才有效。但是在牛頓力學(xué)體系中，與第三定律密切相關(guān)的動(dòng)量守恒定律，卻是一個(gè)普遍的自然規(guī)律。在有電磁相互作用參與的情況下，動(dòng)量的概念應(yīng)從實(shí)物的動(dòng)量擴(kuò)大到包含場(chǎng)的動(dòng)量；從實(shí)物粒子的機(jī)械動(dòng)量守恒擴(kuò)大為全部粒子和場(chǎng)的總動(dòng)量守恒，從而使動(dòng)量守恒定律成為普適的守恒定律。

[1]鐘士軍.高中物理探究學(xué)習(xí)工具設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)春:東北師范大學(xué),2013.

[2]李鄂春.科學(xué)方法應(yīng)用于高中物理重點(diǎn)概念和規(guī)律的教學(xué)研究[D].北京:首都師范大學(xué),2005.

趙曉涵(1999-),女，山東省臨沂市第一中學(xué)學(xué)生。