第一節 作用力與反作用力的進階例子

請閱讀下方有關作用力與反作用力的較複雜例子,進一步深化對牛頓運動第三定律的理解:


發射火箭

船上行走

風扇車

打坐的和尚

推箱子

馬拉車

發射火箭

火箭或太空穿梭機的動力是從何處而來?


因為火箭會:

A. 向周圍的空氣施力,使自己加速。

B. 把燃燒燃料時產生的氣體噴出,利用氣體給予的反作用力使自己加速起動。

【題解】
火箭飛行的原理,其實與槍炮回彈的原理相同:

  • 火箭燃料在燃燒時會不斷產生大量氣體。那些氣體的分子會受到火箭施予的力,使它們噴出來。
  • 根據牛頓運動第三定律,噴出來的氣體分子會同時向火箭施予大小相同、方向相反的反作用力,使火箭加速()。

在火箭能成功發射上太空前,人們誤以為火箭是靠向周圍的空氣施力使自己加速的。但正確概念如前所述,不需要周圍的空氣,所以火箭在太空中也能產生動力推進。

留意作用力和反作用力對是由誰施加到誰身上
發射火箭的情況
船上行走

渡輪停泊在碼頭後,船員會用船上的繩索把渡輪紮緊在碼頭上(),為甚麼要這樣做呢?

試從下方選擇適合的項目:

(1)防止風浪很大時,渡輪會移離碼頭

(2)防止風平浪靜時,渡輪會移離碼頭

【題解】
為什麼風平浪靜時也需紮緊繩索呢?我們先討論人從小艇跳上岸的情況()。

當一個人從靜止的小艇跳上岸時,人的腳會對小艇施加一個向後的力,這道力便會使小艇向後退。根據牛頓第三定律,小艇會對人的腳施加一個向前的反作用力使人向前移動。

換言之,若沒有把小艇用繩索紮在岸上,人跳上岸時,小艇便移離岸邊,人會跌落水中。同一道理,當渡輪停泊在碼頭後,為免在人們上岸時,船隻會愈漂愈遠,船員必須用繩索把船紮緊在碼頭上。

人從小艇跳上岸的一瞬間
渡輪泊岸時船員會把船上的繩索紮緊在碼頭上
風扇車

一輛載著強力風扇和「防滑鏈軚」的貨車剛小心停在薄冰前,由於薄冰上行車容易產生事故,司機正煩惱如何通過它。試點擊畫面上的貨車油門、風扇或裝著「防滑鏈軚」的軚架。您可以幫司機通過薄冰嗎?


中的模擬結果顯示,以下設定貨車可通過薄冰:

  • 引擎
    • 開啟
    • 關閉
     
  • 風扇
    • 開啟
    • 關閉
     
  • 備用輪軚
    • 收藏在貨車上
    • 棄置在貨車外
    • 裝在貨車上使用
     

【題解】
引擎把動力傳遞至輪軚,要令車子前進,靠的是地面和輪軚之間的摩擦力(見汽車行走原理)。然而,若路面光滑或摩擦力太小時(情況 \(1\)),貨車便不能前進。

如果貨車上沒有備用輪軚、風扇一啟動(情況 \(2\)),風扇會向空氣施予一個力,根據牛頓第三定律,空氣亦給貨車一個反作用力。由於車子受到一個向右的淨力,所以會向右移動。

如果貨車上有備用輪軚、啟動風扇時(情況 \(3\)),風扇會給空氣一個力,空氣亦會給備用輪軚一個力,推着備用輪軚。由於備用輪軚已經安裝在貨車上,成為了貨車一部分,因此貨車也受到一個向左的力。

這個力,和空氣給貨車的反作用力,同時都是施加在貨車上的。而且這兩個力大小相等、方向相反,所以便會互相抵消。故此,如果要貨車移動,就要把備用輪軚棄置於車外才成(情況 \(2\))。

開啟貨車引擎(情況 \(1\));棄置備用輪軚後開啟風扇(情況 \(2\));保留備用輪軚時開啟風扇(情況 \(3\))

打坐的和尚

下圖顯示一名和尚正在打坐,根據牛頓第三定律,各力分別有其反作用力存在著:

推箱子

推箱子的時候,當施力太小,施力會被摩擦力抵消,箱子的淨力便等於零。根據牛頓第一定律,箱子會維持靜止狀態:

馬拉車

當馬兒拉木頭車時,馬會施予木頭車一個拉力,即是「馬拉車子的力」。根據牛頓第三定律,木頭車也會給馬兒一個反作用力,即中「車拉馬的力」。


若考慮馬和車為一個系統,這兩個力便會互相抵消,不會對系統的運動構成影響。然而馬兒確實可以令車子的運動狀態改變,為什麼呢?


你可在中,瀏覽不同觀察系統(馬兒、木頭車和馬兒加木頭車)下的敘述。

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