慣性系和非慣性系

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慣性系和非慣性系?慣性系和非慣性系?描寫物體的運(yùn)動，可以考慮研究問題的方便，而任意選擇參考系．一個乘客在加速的火車車廂里行走，描述他的運(yùn)動，可以用地面作參考系，也可以用車廂作參考系．但是，確定運(yùn)動和力的關(guān)系的牛頓運(yùn)動定律，卻不是對任何參考系都成立的．我們生活在地球上，通常是相對于地面參考系來研究物體運(yùn)動的．伽利略的理想實驗以及我們前面做過的研究運(yùn)動和力的關(guān)系的實驗，都是用地面作參考系的．在地面上所做的許多觀察和實驗表明，牛頓運(yùn)動定律對地面參考系是成立的．除了地面參考系，牛頓運(yùn)動定律還對什么參考系成立呢？1632年，伽利略發(fā)表了《關(guān)于兩種世界體系的對話》一書，其中對船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動的描述：“……

1船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不比向另一方向用更多的力．你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同．當(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化．你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動還是停著不動……”伽利略的這段描述說明：在相對于地面做勻速直線運(yùn)動的船艙里進(jìn)行的力學(xué)實驗和觀測，與地面上的力學(xué)實驗和觀測，結(jié)果并沒有差異．這就是說，以相對于地面做勻速直線運(yùn)動的物體作為參考系，牛頓運(yùn)動定律也是成立的．在相對于地面做變速運(yùn)動的參考系中，牛頓運(yùn)動定律是否成立呢？先設(shè)想有一輛做勻速直線運(yùn)動的車廂，在車廂里的桌面上放一個小球．相對于車廂參考系來說，小球保持靜止，小球所受的合外力為零，符合牛頓運(yùn)動定律．現(xiàn)在設(shè)想車廂開始向右做加速運(yùn)動，在車廂里觀測，小球?qū)⑾蜃笞黾铀龠\(yùn)動（圖3-18），而小球并沒有受到其他物體的作用力，所受的合力仍為零．這說明；在相對于地面做變速運(yùn)動的車廂里，牛頓運(yùn)動定律不再成立．

2牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系．牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，稱為非慣性系．研究地面上物體的運(yùn)動，地面參考系通?？烧J(rèn)為是慣性系，相對于地面做勻速直線運(yùn)動的參考系，也是慣性系．研究行星的公轉(zhuǎn)時，太陽參考系可認(rèn)為是慣性系．在本書中，我們一般都以慣性系作為參考系．非慣性系和慣性力?牛頓運(yùn)動定律在非慣性系中不成立，可是，有時要在非慣性系中處理問題．例如研究大氣和海水流動這類大范圍的運(yùn)動，要考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，這時地面參考系不能認(rèn)為是慣性系，而是非慣性系．人們生活在地球上，用地面參考系比較習(xí)慣．怎樣解決這類問題？如果引入“慣性力”的概念，在形式上，卻可以使牛頓運(yùn)動定律在非慣性系中成立，這樣就可以在非慣性中方便地處理問題了．在圖3-18中，以車廂作參考系，小球以大小為a的加速度向左運(yùn)動，我們可以認(rèn)為小球受到一個水平向左的力F，在這個力的作用下，使小球產(chǎn)生水平向左的加速度a．這個力F叫做慣性力．在高中地理課本“沿地表水平運(yùn)動物體的偏移”中提到的“地轉(zhuǎn)偏向力”，也是一種慣性力，它是因地球自轉(zhuǎn)而引起的．跟通常意義下的“真實的”力不同，慣性力是形式上引入的“假想的”力．“真實的”力有施力物體，慣性力沒有施力物體．

3在以加速度a相對于某一慣性系做加速運(yùn)動的非慣性系中，所有物體除了受到“真實的”力，還受到慣性力F，它的大小為ma，方向與非慣性系的加速度的方向相反，即F=-ma式中的負(fù)號，表示慣性力的方向與非慣性系的加速度的方向相反，式中的m為物體的質(zhì)量．這樣，在形式上把牛頓運(yùn)動定律加以擴(kuò)展，就可以在非慣性系中處理力學(xué)問題了．例如，在圖3-13中，我們可以用升降機(jī)作參考系處理問題．升降機(jī)加速上升，是非慣性系．人在升降機(jī)參考系中，除了受到“真實的”力——重力G和升降機(jī)地板的支持力F，還受到方向向下的慣性力F1=-ma．人在升降機(jī)參考系中處于靜止?fàn)顟B(tài)，這三個力的合力為零，即F+G+F1=0F-mg-ma=0所以支持力???????????????????????????F=m（g+a）

4在牛頓力學(xué)中，“假想的”慣性力跟通常意義下的“真實的”力是有區(qū)別的，但在廣義相對論中這種區(qū)別就不那么絕對了．在本書的最后一章，要簡單地介紹廣義相對論的知識．