淺談牛頓第三定律內涵和外延

趙曉涵

（山東省臨沂市第一中學，山東 臨沂 276000）

淺談牛頓第三定律內涵和外延

趙曉涵

（山東省臨沂市第一中學，山東 臨沂 276000）

牛頓第三定律是指作用在兩個物體的一對作用力方向相反、大小相等、作用在同一直線上、作用在不同的兩個物體上。它具有以下性質：①力的作用是相互的。同時出現(xiàn)，同時消失。②相互作用力一定是相同性質的力。③作用力和反作用力作用在兩個物體上，產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為作用點不在同一個物體上，所以不能求合力。但是物理學的深入發(fā)展，暴露出牛頓第三定律并不是對一切相互作用都是適用的。實際上，只有對于沿著二物連線方向的作用（稱為有心力），并可以不計這種作用傳遞時間（即可看做直接的超距作用）的場合中，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)典力學中動力學三大基本定律之二，自牛頓獨創(chuàng)起，數(shù)百年來經(jīng)受了無數(shù)次的考驗，得到了世人的普遍認可。牛頓第三定律的內容是：兩個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、牛頓第三定律的質疑

有些同學卻對牛頓第三定律質疑。認為牛頓第三定律在某些情況下是不成立的。一位位同學舉了這樣—個例子：甲班和乙班的同學進行了一場拔河比賽，結果甲班輸了，這位同學指出：“根據(jù)牛頓第三定律，在拔河時，甲隊對乙隊的拉力和乙隊對甲隊的拉力是一對作用力與反作用力，兩力大小相等，方向相反，那么兩隊應是永遠相持不下，么會分出勝負呢?牛頓第三定律出錯了。拔河比賽有勝負，難道兩隊拉力真的大小不相等嗎?不是的，那么牛頓第三定律出錯了嗎?也不是的。我們先來對拔河比賽進行受力分析：

這里有三對作用力與反作用力,即：甲隊對乙隊的拉力F甲→乙,乙隊對甲隊的拉力F乙→甲；甲隊同學腳踏地的力F甲→地及地面對甲隊同學的腳的反作用力F地→甲；乙隊同學腳蹬地的力 F乙→地及地面對乙隊同學的腳的反作用力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，則甲乙隊和拔河的繩子為一個整體系統(tǒng)，這一系統(tǒng)只受到兩個外力；地面對電隊員腳的反作用力F地→甲和地面對乙隊隊員腳的作用力F地→乙。由此可見，當（只限）時，甲隊獲勝；反之，整體統(tǒng)向乙方移動。所以，哪隊的蹬力大，地面對該隊的反作用力就大，就能取勝。

牛頓第三定律與物體的運動狀態(tài)是無關的。不論馬是加速或勻速前進，或是靜止。馬拉車的力總是與車拉馬的力相等的。馬和車之所以能產生加速度，對馬來講，是因為地面對馬向前的靜摩擦力大于車對馬的力；對于車來講，是因為馬拉車的力大于地面對車的阻力。在牛頓力學的框架中，物體之間相互作用力具有一下特點：作用在兩個物體的一對作用力方向相反、大小相等、作用在同一直線上、作用在不同的兩個物體上。這就是牛頓第三定律。表達式：F1=-F2，F(xiàn)1表示作用力，F(xiàn)2表示反作用力，“-”號表示兩個力方向相反。它有以下的性質：①力的作用是相互的。同時出現(xiàn)，同時消失。②相互作用力一定是相同性質的力③作用力和反作用力作用在兩個物體上，產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為作用點不在同一個物體上，所以不能求合力。

牛頓運動定律是建立在絕對時空以及與此相適應的超距作用基礎上的所謂超距作用，是指分離的物體間不需要任何介質，也不需要時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。

除了上述基本觀點以外，在牛頓的時代，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動速度都在常速范圍內。

二、牛頓第三定律的擴展

在這種情況下，牛頓從實驗中發(fā)現(xiàn)了第三定律。“每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠相等，并且各自指向其對方。”作用力和反作用力等大、反向、共線，彼此作用于對方，并且同時產生，性質相同，這些常常是我們講授這個定律要強調的內容。而且，在一定范圍內，牛頓第三定律與物體系的動量守恒是密切相聯(lián)系的。但是隨著人們對物體間的相互作用的認識的發(fā)展，19世紀發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系，建立了電場、磁場的概念；除了靜止電荷之間有沿著連線方向相互作用的庫侖力外，發(fā)現(xiàn)運動電荷還要受到磁場力即洛倫茲力的作用；運動電荷又將激發(fā)磁場，因此兩個運動電荷之間存在相互作用力。在對電磁現(xiàn)象研究的基礎上，麥克斯韋（1831-1879）在1855～1873年間完成了對電磁現(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。

物理學的深入發(fā)展，暴露出牛頓第三定律并不是對一切相互作用都是適用的。如果說靜止電荷之間的庫侖相互作用是沿著二電荷的連線方向，靜電作用可當作以“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，對于運動電荷之間的相互作用，牛頓第三定律就不適用了。如圖所示。運動電荷B通過激發(fā)的磁場作用于運動電荷A的力為（并不沿AB的連線），而運動電荷A的磁場在此刻對B電荷卻無作用力（圖中未表示它們之間的庫侖力）。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。

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

[1]鐘士軍.高中物理探究學習工具設計研究[D].長春:東北師范大學,2013.

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

趙曉涵(1999-),女，山東省臨沂市第一中學學生。