浅谈牛顿第三定律内涵和外延

赵晓涵

（山东省临沂市第一中学，山东 临沂 276000）

浅谈牛顿第三定律内涵和外延

赵晓涵

（山东省临沂市第一中学，山东 临沂 276000）

牛顿第三定律是指作用在两个物体的一对作用力方向相反、大小相等、作用在同一直线上、作用在不同的两个物体上。它具有以下性质：①力的作用是相互的。同时出现，同时消失。②相互作用力一定是相同性质的力。③作用力和反作用力作用在两个物体上，产生的作用不能相互抵消。④作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照物不同。⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上，所以不能求合力。但是物理学的深入发展，暴露出牛顿第三定律并不是对一切相互作用都是适用的。实际上，只有对于沿着二物连线方向的作用（称为有心力），并可以不计这种作用传递时间（即可看做直接的超距作用）的场合中，牛顿第三定律才有效。

牛顿第三定律；思考；作用力；反作用力

牛顿第三定律，作为经典力学中动力学三大基本定律之二，自牛顿独创起，数百年来经受了无数次的考验，得到了世人的普遍认可。牛顿第三定律的内容是：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。

一、牛顿第三定律的质疑

有些同学却对牛顿第三定律质疑。认为牛顿第三定律在某些情况下是不成立的。一位位同学举了这样—个例子：甲班和乙班的同学进行了一场拔河比赛，结果甲班输了，这位同学指出：“根据牛顿第三定律，在拔河时，甲队对乙队的拉力和乙队对甲队的拉力是一对作用力与反作用力，两力大小相等，方向相反，那么两队应是永远相持不下，么会分出胜负呢?牛顿第三定律出错了。拔河比赛有胜负，难道两队拉力真的大小不相等吗?不是的，那么牛顿第三定律出错了吗?也不是的。我们先来对拔河比赛进行受力分析：

这里有三对作用力与反作用力,即：甲队对乙队的拉力F甲→乙,乙队对甲队的拉力F乙→甲；甲队同学脚踏地的力F甲→地及地面对甲队同学的脚的反作用力F地→甲；乙队同学脚蹬地的力 F乙→地及地面对乙队同学的脚的反作用力F地→乙。

据牛顿第三定律可得：

F甲→乙=F乙→甲

F甲→地=F地→甲

F乙→地=F地→乙

以上是用隔离法受力分析得到的。若用整体法分析，则甲乙队和拔河的绳子为一个整体系统，这一系统只受到两个外力；地面对电队员脚的反作用力F地→甲和地面对乙队队员脚的作用力F地→乙。由此可见，当（只限）时，甲队获胜；反之，整体统向乙方移动。所以，哪队的蹬力大，地面对该队的反作用力就大，就能取胜。

牛顿第三定律与物体的运动状态是无关的。不论马是加速或匀速前进，或是静止。马拉车的力总是与车拉马的力相等的。马和车之所以能产生加速度，对马来讲，是因为地面对马向前的静摩擦力大于车对马的力；对于车来讲，是因为马拉车的力大于地面对车的阻力。在牛顿力学的框架中，物体之间相互作用力具有一下特点：作用在两个物体的一对作用力方向相反、大小相等、作用在同一直线上、作用在不同的两个物体上。这就是牛顿第三定律。表达式：F1=-F2，F1表示作用力，F2表示反作用力，“-”号表示两个力方向相反。它有以下的性质：①力的作用是相互的。同时出现，同时消失。②相互作用力一定是相同性质的力③作用力和反作用力作用在两个物体上，产生的作用不能相互抵消。④作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照物不同⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上，所以不能求合力。

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。

二、牛顿第三定律的扩展

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，并且各自指向其对方。”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力。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二电荷的连线方向，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（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，作用力在此刻不存在反作用力，作用与反作用定律在这里失效了。

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，只有对于沿着二物连线方向的作用（称为有心力），并可以不计这种作用传递时间（即可看做直接的超距作用）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。

[1]钟士军.高中物理探究学习工具设计研究[D].长春:东北师范大学,2013.

[2]李鄂春.科学方法应用于高中物理重点概念和规律的教学研究[D].北京:首都师范大学,2005.

赵晓涵(1999-),女，山东省临沂市第一中学学生。