惯性系和非惯性系.doc

惯性系和非惯性系惯性系和非惯性系惯性系和非惯性系 描写物体的运动，可以考虑研究问题的方便，而任意选择参考系一个乘客在加速的火车车厢里行走，描述他的运动，可以用地面作参考系，也可以用车厢作参考系但是，确定运动和力的关系的牛顿运动定律，却不是对任何参考系都成立的我们生活在地球上，通常是相对于地面参考系来研究物体运动的伽利略的理想实验以及我们前面做过的研究运动和力的关系的实验，都是用地面作参考系的在地面上所做的许多观察和实验表明，牛顿运动定律对地面参考系是成立的除了地面参考系，牛顿运动定律还对什么参考系成立呢？1632 年，伽利略发表了关于两种世界体系的对话一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动”伽利略的这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测，与地面上的力学实验和观测，结果并没有差异这就是说，以相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考系，牛顿运动定律也是成立的在相对于地面做变速运动的参考系中，牛顿运动定律是否成立呢？先设想有一辆做匀速直线运动的车厢，在车厢里的桌面上放一个小球相对于车厢参考系来说，小球保持静止，小球所受的合外力为零，符合牛顿运动定律现在设想车厢开始向右做加速运动，在车厢里观测，小球将向左做加速运动（图 3-18），而小球并没有受到其他物体的作用力，所受的合力仍为零这说明；在相对于地面做变速运动的车厢里，牛顿运动定律不再成立牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系惯性参考系，简称惯性惯性系系牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系非惯性系研究地面上物体的运动，地面参考系通常可认为是惯性系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性系研究行星的公转时，太阳参考系可认为是惯性系在本书中，我们一般都以惯性系作为参考系非惯性系和惯性力 牛顿运动定律在非惯性系中不成立，可是，有时要在非惯性系中处理问题例如研究大气和海水流动这类大范围的运动，要考虑地球自转的影响，这时地面参考系不能认为是惯性系，而是非惯性系人们生活在地球上，用地面参考系比较习惯怎样解决这类问题？如果引入“惯性力”的概念，在形式上，却可以使牛顿运动定律在非惯性系中成立，这样就可以在非惯性中方便地处理问题了在图 3-18 中，以车厢作参考系，小球以大小为 a 的加速度向左运动，我们可以认为小球受到一个水平向左的力 F，在这个力的作用下，使小球产生水平向左的加速度 a这个力 F 叫做惯性力在高中地理课本“沿地表水平运动物体的偏移”中提到的“地转偏向力”，也是一种惯性力，它是因地球自转而引起的跟通常意义下的“真实的”力不同，惯性力是形式上引入的“假想的”力“真实的”力有施力物体，惯性力没有施力物体在以加速度 a 相对于某一惯性系做加速运动的非惯性系中，所有物体除了受到“真实的”力，还受到惯性力 F，它的大小为 ma，方向与非惯性系的加速度的方向相反，即F=-ma式中的负号，表示惯性力的方向与非惯性系的加速度的方向相反，式中的 m 为物体的质量这样，在形式上把牛顿运动定律加以扩展，就可以在非惯性系中处理力学问题了例如，在图 3-13 中，我们可以用升降机作参考系处理问题升降机加速上升，是非惯性系人在升降机参考系中，除了受到“真实的”力重力 G 和升降机地板的支持力 F，还受到方向向下的惯性力 F1=-ma人在升降机参考系中处于静止状态，这三个力的合力为零，即F+G+F1=0F-mg-ma=0所以支持力 F=m（g+a）在牛顿力学中，“假想的”惯性力跟通常意义下的“真实的”力是有区别的，但在广义相对论中这种区别就不那么绝对了在本书的最后一章，要简单地介绍广义相对论的知识