高中物理：用牛顿第三定律进行受力分析详解

高中物理：用牛顿第三定律进行受力分析详解

牛顿第三定律是高中物理中的重要知识点，它描述了作用力与反作用力的关系。本文将通过几个具体的场景和一个例题，详细讲解如何使用牛顿第三定律进行受力分析。

人在水平地面上的受力分析

走路时的受力分析

人在水平地面上走路的时候，人和地球之间存在几对作用力与反作用力？让我们以人作为研究对象进行分析：

• 人受到竖直向下的重力
• 竖直向上的支持力
• 水平向右的摩擦力

这三个力都有它们的反作用力，因此人和地球之间存在三对作用力与反作用力。

答：三对。分别是：

1. 地球对人的重力和人对地球的反作用力
2. 地面对人的摩擦力和人对地面的摩擦力
3. 地面对人的支持力和人对地面的压力

站立不动时的受力分析

如果人站立不动，情况会有所不同。此时人与地面之间的摩擦力消失，因此相互作用力只有两对：

• 地球对人的重力和人对地球的反作用力
• 地面对人的支持力和人对地面的压力

此时人只受一对平衡力：人的重力与地面对人的支持力。

跳起瞬间的受力分析

当人从地面跳起的瞬间，相互作用力的情况与站立时相同，依旧只有两对。但是，人对地面的压力增大，因此地面对人的支持力也跟着增大，并且大于人的重力，支持力与重力不再是平衡力。

斜面与木箱的受力分析

考虑一个更复杂的场景：粗糙地面上有一个斜面，斜面上有一个木箱。当施加如图所示的力F，木箱沿斜面匀速下滑，此时斜面保持静止。我们需要求斜面对地面的压力与摩擦力。

隔离法分析

斜面对地面的作用力不容易直接分析，可以通过分析反作用力来解决。斜面受到以下力的作用：

• 地面对斜面的支持力N
• 地面对斜面的摩擦力f
• 斜面自身的重力Mg
• 木箱对斜面的压力FN
• 木箱对斜面的摩擦力fN

由于斜面静止，这些力的合力为零。木箱对斜面的两个作用力（支持力FN和摩擦力fN）也可以通过分析木箱的受力来解决。木箱受到以下力的作用：

• 斜面对木箱的支持力FN
• 斜面对木箱的摩擦力fN
• 木箱的重力mg
• 外力F

由于木箱匀速运动，这些力的合力也为零。通过分析木箱受到的已知力（重力mg和外力F）的合力，可以推导出支持力FN和摩擦力fN的合力，进而求解斜面对地面的压力和摩擦力。

通过正交分解，可以得到：

• 竖直方向：N - Mg - FNcosθ - fNsinθ = 0
• 水平方向：f - FNsinθ + fNcosθ = 0

最后，根据牛顿第三定律，地面对斜面的作用力的反作用力就是斜面对地面的作用力。

整体法分析

将斜面和木箱看作一个整体，由于木箱和斜面都处于平衡状态，整体也处于平衡状态。对整体进行受力分析：

• 整体的重力(M+m)g
• 地面对整体的支持力N
• 地面对整体的摩擦力f
• 外力F

从图中可以看出，受力分析和刚才等效之后的受力分析是一样的，因此最后的结果也是一样的。

总结

使用牛顿第三定律进行受力分析时：

1. 对于求多少对作用力与反作用力的问题，先对一个对象进行受力分析，再说明各个力对应的反作用力。
2. 在具体题目中受力分析时，可以灵活选用整体法或者隔离法。
3. 在涉及到作用力与反作用力的分析时，要特别注意方向的问题。