Подключение через VPN может влиять на стабильность сайта. Для корректной работы попробуйте отключить VPN.

Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Конспект урока: Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона. Решение задач о движении взаимодействующих тел

Динамика

05.10.2026
3677
0

Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона. Решение задач о движении взаимодействующих тел

План урока

  • Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона
  • Примеры решения задач

Цели урока

  • знать формулировку третьего закона Ньютона
  • уметь решать задачи на движение взаимодействующих тел

Разминка

  • Сформулируйте первый и второй законы Ньютона.
  • Куда направлен вес тела?
  • С какой силой человек массой 60 кг притягивает к себе Землю?

Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона

Рис. 1. Взаимное притяжение двух тел Рис. 1. Взаимное притяжение двух тел

Вам уже известно, что если одно тело действует на другое с некоторой силой, то и второе тело также будет действовать на первое с той же самой силой. Так, если Земля притягивает к себе тело, расположенное на её поверхности, то и данное тело тоже будет притягивать к себе Землю (рис. 1). 

Взаимодействие двух тел описывается третьим законом Ньютона.


Третий закон Ньютона: в инерциальной системе отсчёта два тела взаимодействуют с силами $\overrightarrow{F_{1}}$ и $\overrightarrow{F_{2}}$, равными по модулю, противоположными по направлению и лежащими вдоль одной прямой: $\overrightarrow{F_{1}} = - \overrightarrow{F_{2}}$.


Отметим, что силы, с которыми взаимодействуют два тела, всегда имеют одинаковую природу, но не уравновешивают друг друга. Силы взаимодействия приложены к разным телам: сила $\overrightarrow{F_{1}}$, с которой Земля притягивает человека, приложена к человеку; сила $\overrightarrow{F_{2}}$, с которой человек притягивает Землю, — к Земле, поэтому силы $\overrightarrow{F_{1}}$ и $\overrightarrow{F_{2}}$ не уравновешивают друг друга.
 

Совместное использование второго и третьего законов Ньютона позволяет решать задачи о движении взаимодействующих тел.

Примеры решения задач

Решение задач о движении взаимодействующих тел схоже с решением задач о движении под действием нескольких сил, рассмотренным в предыдущей статье.
 

Но в данном случае второй закон Ньютона необходимо записывать для каждого тела, участвующего во взаимодействии.
 

Помимо этого, добавляется новый пункт, в котором следует записать третий закон Ньютона для рассматриваемых в задаче тел.

 

Алгоритм решения задач о движении взаимодействующих тел выглядит следующим образом:

  1. Определить, является ли движение рассматриваемых тел поступательным, ответить на вопрос: «Можно ли принять их за материальные точки?»
  2. Выбрать инерциальную систему отсчёта. Сделать чертёж с изображением всех сил, действующих на тела, которые участвуют во взаимодействии.
  3. Записать второй закон Ньютона в векторной форме для каждого тела.
  4. Записать второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси для каждого тела.
  5. Записать третий закон Ньютона.
  6. Решить полученную систему алгебраических уравнений.


Пример 1

 

На горизонтальном полу лифта лежит ящик массой 80 кг. Лифт начинает подниматься на верхний этаж с ускорением 0,2 м/с2. Найти вес ящика при движении лифта.


Решение
 

1. В результате движения лифта система начнёт поступательное движение, поэтому ящик можно принять за материальную точку.

Рис. 2. Иллюстрация к примеру 1 Рис. 2. Иллюстрация к примеру 1

2. Пусть ось ОХ направлена вправо, ось 
OY — вертикально вверх.
На ящик действуют две силы: сила тяжести и сила реакции опоры. На поверхность со стороны ящика действует только одна 
сила — его вес (рис. 2). Так как система движется вверх, вектор ускорения также направлен вертикально вверх.

3. Второй закон Ньютона в векторной форме для ящика имеет следующий вид:
 

$m \cdot \overrightarrow{g} + \overrightarrow{N} = m \cdot \overrightarrow{a}$.
 

4. Запишем второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси: в данном случае проекции сил и ускорения на ось ОХ равны нулю, поэтому достаточно записать проекцию на ось ординат:
 

$OY : N - m \cdot g = m \cdot a$.
 

5. В рассматриваемой задаче взаимодействуют ящик и горизонтальная поверхность лифта: ящик действует на поверхность с силой, равной его весу, поверхность — с силой реакции опоры. По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению:
 

$P = N$.
 

6. Решаем систему уравнений:

 

$\begin{cases} N - m \cdot g = m \cdot a \\ P = N \end{cases}$.
 

Используя метод подстановки, выражаем искомую силу Р:
 

$P = m \cdot g + m \cdot a = 80 \cdot 10 + 80 \cdot 0,2 = 816 H$.

 

Ответ: $P = 816 H$.


Пример 2

 

Два бруска удерживаются на плоскости, поверхность которой наклонена под углом 60° к горизонту. Масса брусков одинакова и равна 4 кг. Коэффициент трения между первым бруском и поверхностью равен 0,6. Второй брусок гладкий. После того, как бруски отпускают, они приходят в движение. Рассчитайте, с какой силой второй брусок действует на первый в процессе их совместного движения.


Решение

 

1. После того, как бруски перестают удерживать на наклонной плоскости, они начинают двигаться поступательно, поэтому оба тела можно принять за материальные точки.

Рис. 3. Иллюстрация к примеру 2 Рис. 3. Иллюстрация к примеру 2

2. В качестве тела отсчёта выберем неподвижную наклонную плоскость. Пусть ось ОХ направлена в сторону движения брусков вдоль поверхности (рис. 3), ось OY — перпендикулярно оси ОХ.
Массы первого и второго брусков обозначим m1 и m2 соответственно. Вектор ускорения направлен в сторону движения брусков. Силы, с которыми взаимодействуют бруски 1 и 2 обозначим как $\overrightarrow{F_{12}}$ и $\overrightarrow{F_{21}}$.

3. Запишем второй закон Ньютона в векторной форме для первого и для второго тела:
 

$\overrightarrow{F_{21}} + m_{1} \cdot \overrightarrow{g} + \overrightarrow{N_{1}} + \overrightarrow{F_{\text{т}p}} = m_{1} \cdot \overrightarrow{a}$;

$\overrightarrow{F_{12}} + m_{2} \cdot \overrightarrow{g} + \overrightarrow{N_{2}} = m_{2} \cdot \overrightarrow{a}$.
 

4. Запишем второй закон Ньютона для каждого из тел в проекциях на координатные оси. Учтём, что в выбранной системе отсчёта проекция ускорения на ось ординат равна нулю.
 

$OX : m_{1} \cdot g_{x} + F_{21} - F_{\text{т}p} = m_{1} \cdot a$;

$OY : N_{1} - m_{1} \cdot g_{y} = 0$;

$OX : m_{2} \cdot g_{x} - F_{12} = m_{2} \cdot a$;

$OY : N_{2} - m_{2} \cdot g_{y} = 0$.
 

Найдём проекции силы тяжести на координатные оси.

 

$m_{1} \cdot g_{x} = \sin ( \alpha ) \cdot m_{1} \cdot g$

$m_{1} \cdot g_{y} = \cos ( \alpha ) \cdot m_{1} \cdot g$

$m_{2} \cdot g_{x} = \sin ( \alpha ) \cdot m_{2} \cdot g$

$m_{2} \cdot g_{y} = \cos ( \alpha ) \cdot m_{2} \cdot g$

 

5. Согласно третьему закону Ньютона, силы $\overrightarrow{F_{12}}$ и $\overrightarrow{F_{21}}$ направлены в противоположные стороны и равны по модулю:
 

$F_{12} = F_{21} = F$.
 

6. Известно, что сила трения по определению равна произведению коэффициента трения на силу реакции опоры:

 

$F_{\text{т}p} = \mu \cdot N_{1}$.

 

Сведём все полученные закономерности в следующую систему уравнений:

 

$\begin{cases} \sin ( \alpha ) \cdot m_{1} \cdot g + F - \mu \cdot N_{1} = m_{1} \cdot a \\ N_{1} - \cos ( \alpha ) \cdot m_{1} \cdot g = 0 \\ \sin ( \alpha ) \cdot m_{2} \cdot g - F = m_{2} \cdot a \\ N_{2} - \cos ( \alpha ) \cdot m_{2} \cdot g = 0 \end{cases}$.
 

Используя метод подстановки, выражаем искомую силу F:
 

$F = \frac{m_{1} \cdot m_{2} \cdot \mu \cdot \cos ( \alpha ) \cdot g}{m_{1} + m_{2}} = \frac{4 \cdot 4 \cdot 0,6 \cdot \cos ( 60^{\circ} ) \cdot 10}{4 + 4} = 6 H$.

 

Ответ: $F = 6 H$.


Пример 3

Рис. 4. Иллюстрация к примеру 3 Рис. 4. Иллюстрация к примеру 3

 

На гладкой горизонтальной поверхности друг на друге лежат два бруска (рис. 4). Коэффициент трения между брусками равен 0,4.

 

Определите, с какой минимальной силой F надо подействовать на брусок массой m1, чтобы брусок массой m2 начал по нему скользить. Массы брусков равны m1 = 5 кг и m2 = 2 кг.


Решение

 

1. Пусть бруски двигаются поступательно, поэтому оба тела можно принять за материальные точки.

Рис. 5. Иллюстрация к примеру 3: силы, действующие на бруски Рис. 5. Иллюстрация к примеру 3: силы, действующие на бруски

2. В качестве тела отсчёта выберем неподвижную плоскость, на которой лежат бруски. Пусть ось ОХ направлена в сторону движения брусков вдоль поверхности 

(рис. 5), ось OY — перпендикулярно оси ОХ. Вектор ускорения направлен в сторону движения брусков. В месте соприкосновения брусков возникают силы трения, препятствующие взаимному движению $\overrightarrow{F_{\text{т}p 1}}$ и $\overrightarrow{F_{\text{т}p 2}}$.
На брусок массой m1 действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила F, а также сила трения и вес, создаваемый бруском массой m2.

На брусок массой m2 действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения, возникающая в процессе взаимного движения.

 

3. Запишем второй закон Ньютона в векторной форме для первого и для второго тела:
 

$\overrightarrow{F_{\text{т}p 1}} + m_{1} \cdot \overrightarrow{g} + \overrightarrow{N_{1}} + \overrightarrow{F} + \overrightarrow{P} = m_{1} \cdot \overrightarrow{a}$;

$\overrightarrow{F_{\text{т}p 2}} + m_{2} \cdot \overrightarrow{g} + \overrightarrow{N_{2}} = m_{2} \cdot \overrightarrow{a}$.
 

4. Запишем второй закон Ньютона для каждого из тел в проекциях на координатные оси. Учтём, что в выбранной системе отсчёта проекция ускорения на ось ординат равна нулю:
 

$OX : F - F_{\text{т}p 1} = m_{1} \cdot a$;

$OY : N_{1} - P - m_{1} \cdot g = 0$;

$OX : F_{\text{т}p 2} = m_{2} \cdot a$;

$OY : N_{2} - m_{2} \cdot g = 0$.

 

5. Согласно третьему закону Ньютона, силы $\overrightarrow{F_{\text{т}p 1}}$ и $\overrightarrow{F_{\text{т}p 2}}$ направлены в противоположные стороны и равны по модулю:
 

$F_{\text{т}p 1} = F_{\text{т}p 2} = F_{\text{т}p}$.

 

Следует понимать, что в данном случае Fтр1 не зависит от N1, так как данная сила возникает не из-за трения тела m1 о поверхность, а является следствием трения брусков друг о друга, поэтому Fтр1 определяется силой реакции опоры, действующей на верхний брусок N2.
 

Аналогичные рассуждения применимы к паре сил $\overrightarrow{P}$ и $\overrightarrow{N_{2}}$, по третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю:
 

$P = N_{2}$.
 

6. Запишем формулу силы трения:

 

$F_{\text{т}p} = \mu \cdot N_{2}$.

 

Сведём все полученные соотношения в следующую систему уравнений:

 

$\begin{cases} F - \mu \cdot N_{2} = m_{1} \cdot a \\ N_{1} - P - m_{1} \cdot g = 0 \\ \mu \cdot N_{2} = m_{2} \cdot a \\ N_{2} - m_{2} \cdot g = 0 \\ P = N_{2} \end{cases}$.
 

Используя метод подстановки, выражаем искомую силу F:
 

$F = \mu \cdot g \cdot \left(m_{1} + m_{2}\right) = 0,4 \cdot 10 \cdot ( 5 + 2 ) = 28 H$.

 

Ответ: $F = 28 H$.


Упражнение 1

 

1. На горизонтальном полу лифта лежит ящик массой 10 кг. Лифт начинает опускаться на нижний этаж с ускорением 0,4 м/с2. Найти вес ящика в процессе движения лифта.
 

2. На наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 4 м находится груз массой 40 кг. Какую силу, направленную вдоль плоскости, необходимо приложить, чтобы тянуть груз с ускорением 2 м/с2? Коэффициент трения 0,4.


Контрольные вопросы

 

1. Сформулируйте третий закон Ньютона.
2. На полу лифта на весах находится ящик. Как изменятся показания весов, когда лифт начнёт опускаться на нижний этаж с некоторым ускорением?
3. Как направлена сила трения, если брусок покоится на наклонной плоскости?


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. Р = 96 Н

 

2. F = 496 Н


Предыдущий урок
Силы всемирного тяготения. Закон всемирного тяготения. Движение планет. Искусственные спутники
Динамика
Следующий урок
Динамика равномерного движения материальной точки по окружности. Решение задач динамики равномерного движения по окружности
Динамика
Урок подготовил(а)
Андрей Михайлович
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
  • Строение атомов. Элементарный электрический заряд

    Физика

  • Королевская власть и Реформация в Англии. Борьба за господство на морях

    История

  • Дети и внуки Ярослава Мудрого. Общество Древней Руси

    История

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке