第三節 作用力與反作用力的例子

請選學下方有關作用力與反作用力的例子,深化對牛頓運動第三定律的理解:

拉彈簧

鐵鎚擊打釘子

踢足球

打桌球

磁石

汽車行走原理

手槍回彈

誰拉誰實驗

拉彈簧

如果用手出力拉彈簧,彈簧便會受到手的拉力而變長。同時,手也感受到彈簧的拉力,把手拉回去()。

如果手對彈簧施加的力是作用力 (\(F\)),那麼彈簧拉手的力就是反作用力了 (\(R\))。


根據牛頓第三定律:

\(F\) 與 \(R\) 的大小相同、方向相反、作用在同一條直線上。


我們亦可以將彈簧拉手的力叫做作用力,那麼手對彈簧施加的力便是反作用力了。

用手出力拉彈簧
鐵鎚擊打釘子

用鎚撞擊鐵釘時(),我們可以把鐵鎚對鐵釘施加的力叫做作用力 (\(F\)),而鐵釘對鐵鎚施加的力就是反作用力了 (\(R\))。


我們亦可以將鐵釘對鐵鎚施加的力叫做作用力,那麼鐵鎚對鐵釘施加的力便是反作用力了。


根據牛頓第三定律:

\(F\) 與 \(R\) 的大小相同、方向相反、作用在同一條直線上。

用鎚撞擊鐵釘
踢足球

踢足球時,如所示,腳對足球施力(作用力)把足球踢出。


根據牛頓運動第三定律,足球也會同時對腳部施予一道大小相同、方向相反的反作用力。


所以赤腳踢球的話,幾次用力射球後腳背便會紅腫了!

踢足球時的作用力和反作用力對
打桌球

打桌球時,如所示,白球撞擊紅球時會對其施予作用力。


根據牛頓運動第三定律,紅球也會同時施予一道大小相同、方向相反的反作用力到白球上,所以它們在撞擊後會朝相反方向移動。

桌球撞擊時的作用力和反作用力對
磁石

作用力和反作用力也可在沒有互相接觸的物體之間出現的。


如果我們把兩塊磁石:

  • 相同的磁極相對時,我們會見到兩塊磁石會互相排斥,同時向相反的方向運動;
  • 不同的磁極相對時,我們會見到兩塊磁石會互相吸引,做相向運動。

從這兩個現象,可知這兩塊互不接觸的磁石,也會互相施力,令對方改變運動狀態。


由此可知,物體相隔一段距離,也會發生相互作用,出現作用力和反作用力。

試把右方的磁石放在位置「\(1\)」或「\(2\)」上,觀察磁石的相吸 / 相斥情況
汽車行走原理

原來施加在汽車上、令汽車向前走的力,就是地面和輪胎之間的摩擦力。

汽車行走時,轉動中的輪胎會對地面施予一個向後的作用力 (\(F\))。由於輪胎和地面間的摩擦,地面會同時對輪胎施予一道反作用力 (\(R\))。汽車就是受到這股向前的反作用力所推動,得以向前行駛。


根據牛頓第三定律:

\(F\) 與 \(R\) 的大小相同、方向相反、作用在同一條直線上。


便模擬了汽車行駛的情況。留意當中的作用力和反作用力是由誰施加到誰身上。

汽車行走時的作用力和反作用力對
手槍回彈

在手槍射出子彈一刻,槍手會感到手槍猛烈地向後衝。為甚麼會這樣呢?


在子彈射出的一刻,彈殼中的火藥會爆炸,給予彈頭一個強勁的力,把彈頭射出來。根據牛頓運動第三定律,彈頭會同時向手槍施予一個大小相同、方向相反的反作用力,使手槍後退。


模擬了手槍回彈的情況,你能說出手槍後退和子彈射出的加速度有何不同嗎?請在下方選擇正確的項目:

      手槍後退的加速度
  • \(=\)
  • \(\gg \)
  • \(\ll \)
子彈的的加速度

【題解】
手槍後退的加速度,遠比子彈的小。


牛頓運動第二定律提到,施力 (\(F\))、加速度 (\(a\)) 和質量 (\(m\)) 的關係為:

\(F=m\ a\)

所以在一定大小的施力下,質量愈大,加速度愈小。

先前提及,作用在子彈和手槍的力大小相同。由於手槍的質量遠大於子彈,故手槍後退的加速度,遠比子彈的小。

手槍回彈的情況。留意子彈向前射出的一刻,手槍會向後衝
誰拉誰實驗

所示的實驗中,原本靜止的男孩與女孩可站在地上或車子上。選「拉」時,兩人各手握繩子的一端,雙方可用力拉;選擇「推」時,雙方可用力向對方推。(按「模擬結果」會演示運動)

誰拉誰實驗

考慮女孩與男孩分別站在地上和車子上時,如果女孩用力拉男孩,女孩會把男孩拉過來。若換轉是男孩用力拉女孩,又會怎樣?

A. 男孩和女孩均會向前衝

B. 男孩和女孩均會保持靜止

C. 男孩會向前衝,但女孩保持靜止

【題解】
為甚麼男孩用力拉女孩時,女孩靜止,但卻令男孩自己移動呢?我們可以用來解釋。

兩個人原本都靜止不動。當男孩用力拉女孩,便出現一個施加在女孩上的作用力。根據牛頓第三定律,同時會出現一個大小相等,方向相反的反作用力施加在男孩上。若男孩與地面之間的摩擦力可以忽略(男孩站在車子上),這個反作用力便使男孩移向女孩。

留意作用力和反作用力會各自產生其作用,不會互相抵消,所以男孩對女孩所施加的作用力,只會影響女孩。這個力令女孩有一個向右運動的趨勢。由於地面會給女孩一個向左的摩擦力,抵消男孩給女孩的作用力,所以女孩靜止不動。

男孩拉女孩時,自己會向前衝

如果男孩和女孩,各自站在不同的車子上,男孩用力拉女孩,情況會如何呢?

A. 男孩和女孩均會向前衝

B. 男孩和女孩均會保持靜止

C. 男孩會向前衝,但女孩保持靜止

【題解】
同為男孩拉繩子,女孩卻沒有用力,大家分別站在車子上,為何男孩和女孩也動了呢?我們可以用來解釋。

開始時兩人都靜止不動,我們先考慮女孩。由於女孩與地面間的摩擦力可以忽略(站在車子上),當男孩用力拉女孩,便使女孩加速、移向男孩。

根據牛頓第三定律,男孩拉女孩時會有一反作用力使女孩拉著男孩。由於男孩也站在車子上(地面平滑),女孩對男孩所施加的反作用力便使男孩加速,所以同一時間,男孩和女孩都會向前衝。

試在改變其他參數,進一步掌握作用力與反作用力。

男孩拉女孩時,雙方均會向前衝
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