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(zhì)：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(zhì)的力。③作用力和反作用力作用在兩個物體上，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為作用點不在同一個物體上，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(xué)中動力學(xué)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(nèi)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(zhì)疑

有些同學(xué)卻對牛頓第三定律質(zhì)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(xué)舉了這樣—個例子：甲班和乙班的同學(xué)進行了一場拔河比賽，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，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?wèi)?yīng)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(xué)腳踏地的力F甲→地及地面對甲隊同學(xué)的腳的反作用力F地→甲；乙隊同學(xué)腳蹬地的力 F乙→地及地面對乙隊同學(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(dāng)（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(guān)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(chǎn)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(xué)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(zhì)：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(zhì)的力③作用力和反作用力作用在兩個物體上，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(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(nèi)。

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?！懊恳粋€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?！弊饔昧头醋饔昧Φ却?、反向、共線，彼此作用于對方，并且同時產(chǎn)生，性質(zhì)相同，這些常常是我們講授這個定律要強調(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(jì)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(chǔ)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(xué)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(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(yīng)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(xué)體系中，與第三定律密切相關(guān)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(yīng)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(xué)習(xí)工具設(shè)計研究[D].長春: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。