不得不知的“參考系”

參照物和參考系都是為了描述物體的運動引入的基本概念。

那么，參考系和參照物有什么不同？生活中又有哪些現象可以用物理學中的參考系解釋？新課標高中教材中哪些概念需要用參考系來解釋？高中物理習題中哪些涉及巧取參考系來解題？

要描述物體的運動首先要選定參照物，即為了描述物體的運動而選定被參照的物體稱為參照物。

參考系是參照物與坐標系的總稱，有時簡單地把參照物稱參考系。而參考系曾作參照系，據全國自然科學名詞審定委員會1988年公布的《物理學名詞（基礎物理學部分）》規定，參考系不稱為參照系而改名為參考系。

所以，為了準確地描述物體的運動而被選定參考的物體的名稱經歷了由參照物到參照系再到參考系的過程。

1.靜止的子彈

第一次世界大戰期間，一名法國飛行員駕機正在12000米的高空飛行。突然，他發現機艙外有一只“小蟲”正在緩慢向前“蠕動”。他敏捷地伸手一抓。啊！原來不是小蟲，而是一顆德國子彈！這是相對靜止的典型事例。

如果飛機在高空飛行時和子彈具有相同的對地速度，如果飛行員選取子彈為參考系，飛行員和子彈是相對靜止的。如果學過了參考系的基本概念，飛行員手抓子彈的事情就不足為奇了。

2.刻舟求劍

楚國有個渡江的人，他的劍從船上掉到水里，他急忙在船沿上用刀在掉劍的地方做了個記號，說：“這是我的劍掉下去的地方。”船到目的地后，這個楚國人立即從他刻記號的地方跳到水里尋找劍。

船已經航行了，但是劍沒有行進，像這樣尋找劍，不是很糊涂嗎？學過參考系的知識之后就不會犯這樣的錯誤了。

選取合適的參考系，一方面有助于清晰而簡潔地描述物體的運動情況；另一方面，合適的參考系也有助于簡化解題過程，甚至可以突破一些在一般參考系下無法解決的物理問題。下面從兩個方面談談參考系的作用：

1.參考系在教材中的知識體現

①在高中物理新課標必修一“相互作用”章節中講解摩擦力定義時，關于摩擦力定義中的“相對”就是參考系的重要應用，即判斷靜摩擦和滑動摩擦方向時，可以直接選取與研究物體相接處的另一物體作為參考系，判斷相對運動或者相對運動趨勢方向，進而快捷準確判斷摩擦力的方向。

②在高中物理新課標必修一“牛頓運動定律”章節中講解了牛頓第一定律成立的條件是在慣性參考系中，即物體在不受力時保持靜止或者保持勻速直線運動狀態，這樣的參考系成為慣性參考系，簡稱慣性系。

如果以加速運動的物體作為參考系，牛頓第一定律并不成立，這樣的參考系叫作非慣性系，即我們討論的參考系包括慣性系和非慣性系兩類。

高中階段我們研究物體的運動時，一般可以把地面看作慣性系，相對地面靜止或者勻速直線運動的物體也可以看作是慣性系。

③在平拋運動學習中，從地面上看到從飛機上拋出的物體的運動性質是拋體運動，若飛機上的飛行員向下看拋出去的物體的運動性質為自由落體運動，即參考系選擇不同，得到物體的運動性質可能也不同。

2.參考系在習題中模型體現

①在運動學中研究兩個運動物體中一個物體相對于另一個物體的運動方向及運動性質。

例題：兩位雜技演員，甲從高處自由落下的同時乙從蹦床上豎直跳起，結果兩個同時落到蹦床上，若以演員自己為參考系，此過程中甲看到對方的運動情況是：乙一直朝上運動。

分析：乙上升過程中，甲、乙間距越來越小，故甲看到乙向上運動；乙下降過程中，因甲的速度仍然大于乙的速度，甲、乙間距仍然變小，故甲看到乙還是向上運動。

②講解關于摩擦力方向判斷相關習題。例如，人爬竹竿過程，應選取與受力對象接觸的另一個物體為參考系；再如判斷水平傳送帶上初速度為零的小滑塊的相對靜止前滑動摩擦力的方向時（找相對運動的方向時），需巧取參考系來研究物體相對的運動性質；又如轉盤上小物塊用細繩拴接模型，當轉盤豎直面內轉動時，物塊有相對于盤向外運動的趨勢，摩擦力指向圓心，當達到最大靜摩擦力時細繩繃緊提供拉力，產生向心力。

③講解圓周運動時，角速度是描述圓周運動的一個重要物理量。在“天體運動”這章中，兩個衛星做圓周運動的時候，選取其中運動的一個衛星為參考系，利用相對角速度解題是很方便的。

例如，如下圖所示A、B兩行星在同一平面內繞同一顆恒星運動，運動的方向相同，A、B兩行星的軌道半徑分別為r1、r2，已知恒星的質量為M，且恒星對兩行星的引力遠遠大于兩行星間的引力，兩行星的軌道半徑r1、r2，若在某一時刻兩行星相聚最近，試求：

（1）經多長時間兩行星相距最遠？

（2）經多長時間兩行星相距最近？

在這類航天運動問題中，兩顆衛星跟地心從初始的三點共線到后來相距最遠的三點共線，至少在空間上相距π相位，即等于他們之間的相對角速度“ω1-ω2”，選擇轉動較慢的衛星為參考系與時間的t的乘積，有t=π/（ω1-ω2）。同理可以用相對角速度的思路求解相距最近的問題。

總之，參考系對物體運動性質的確定和具體解題都有著重要的意義，只有了解和掌握參考系才能在處理實際問題中恰當選取參考系，進而將復雜的問題簡單化，最終達到化繁為簡、事半功倍的效果。