高中物理中對(duì)慣性參考系和加速參考系的一些探討

摘 要：牛頓運(yùn)動(dòng)定律只在慣性參考系中有效。伽利略說(shuō)過(guò)，一個(gè)不受任何力作用的物體具有恒定的速度。這種說(shuō)法實(shí)際上是定義了一個(gè)慣性參考系。可是，我們?nèi)绻荒苁孪却_定某個(gè)參照物沒(méi)有受到力的作用，就很難建立起把力和加速度聯(lián)系起來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。我們需要有一個(gè)非加速的參考系，以便能夠相對(duì)它來(lái)測(cè)量加速度。遠(yuǎn)離其他一切物體的一個(gè)物體，可以被認(rèn)為實(shí)際上不受力的作用，因此，它沒(méi)有加速度。宇宙中，一顆恒星距離它最近的別的恒星至少有1016m，因而可以料想它只有很小的加速度。于是，我們認(rèn)為這些固定的恒星能夠以很高的近似程度確定出一個(gè)方便的非加速參考系。

關(guān)鍵詞：慣性參考系；加速度；地球；太陽(yáng)；加速參考系；超速離心機(jī)

一個(gè)參考系，如果在其中對(duì)一個(gè)據(jù)信沒(méi)有受到任何作用力和約束的粒子沒(méi)有觀察到加速度，那么它就被認(rèn)為是一個(gè)慣性參考系。凡是相對(duì)慣性參考系做加速運(yùn)動(dòng)的參考系都是非慣性參考系，也叫做加速參考系。牛頓第一、第二定律只有在慣性參考系中作觀察時(shí)才是成立的。這一點(diǎn)，從日常經(jīng)驗(yàn)來(lái)看是顯然的。如果觀察者的參考系是靜止在一個(gè)旋轉(zhuǎn)木馬上。那么，即使沒(méi)有外力的作用，觀察者在這個(gè)參考系中的加速度也不會(huì)是零。觀察者只有頂住旋轉(zhuǎn)木馬的某個(gè)部分，按照牛頓第三定律該部分產(chǎn)生一個(gè)指向轉(zhuǎn)軸的力Mrω2作用在觀察者身上，觀察者才能站穩(wěn)在旋轉(zhuǎn)木馬的平臺(tái)上。在這個(gè)力的表達(dá)式中，M是觀察者身體的質(zhì)量，r是觀察者離轉(zhuǎn)軸的距離，ω是角速度。另外，假設(shè)觀察者的參考系靜止在一輛加速啟動(dòng)的公共汽車(chē)上，那么，觀察者會(huì)由于汽車(chē)加速而被緊壓在座位的靠背上，只是多虧靠背給觀察者一個(gè)作用力，觀察者才能相對(duì)于汽車(chē)保持靜止。

牛頓把靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系叫做慣性參考系。牛頓確定慣性參考系的辦法，是假定我們可以通過(guò)某種獨(dú)立的途徑去知道這個(gè)參考系是不受力的。但這是辦不到的，因?yàn)闆](méi)有作用力是根據(jù)沒(méi)有加速度來(lái)判斷的，這樣我們又必須要有一個(gè)參考系，以便相對(duì)于它去測(cè)量加速度；如此等等，這就陷入了循環(huán)論證。筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生甚至一些教師對(duì)慣性參考系的認(rèn)識(shí)都有此類(lèi)困惑，因此，覺(jué)得頗有必要把某參考系是否可視為慣性參考系做一下探討。

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，判定一個(gè)特定的參考系是不是慣性系，這取決于觀察者能以多大的精確度去探測(cè)出這個(gè)參考系的微小的加速度效應(yīng)。高中物理中時(shí)常選擇地球?yàn)閰⒖枷怠Ｒ粋€(gè)固定在地球表面的實(shí)驗(yàn)室是否提供了一個(gè)很好的慣性參考系呢？

以上計(jì)算的結(jié)果表明，即使把地球自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度都考慮進(jìn)來(lái)，固定在地面上的實(shí)驗(yàn)室具有的加速度也是很小的，雖然它并不是在所有的問(wèn)題中都可以完全忽略，但就許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，地球是慣性參考系的一個(gè)相當(dāng)好的近似。大量的觀察和實(shí)驗(yàn)表明，研究地球表面附近的許多現(xiàn)象，在相當(dāng)高的實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，地球是慣性參考系。

遠(yuǎn)離其他一切物體的一個(gè)物體，可以被認(rèn)為實(shí)際上不受力的作用，因此它沒(méi)有加速度，那么它就是一個(gè)慣性參考系。實(shí)際上，自然界并無(wú)孤立物體存在，所以也無(wú)完美的慣性參考系，總是在一定精度內(nèi)視某參考系為慣性參考系。某參考系是否可視為慣性參考系，從根本上講要根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)。

如果你愿意相對(duì)于一個(gè)慣性參考系去保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng)，并不需要有力作用。但是，如果你硬要在一個(gè)加速參考系中保持靜止，你就一定得受到像旋轉(zhuǎn)木馬的一部分或座位靠背所施的那樣一個(gè)力的作用。這些在加速參考系中自動(dòng)出現(xiàn)的力在物理學(xué)上是十分重要的。不是在慣性參考系中時(shí)所出現(xiàn)的那些效應(yīng)可以是大量的！而且，這些效應(yīng)可以有很大的實(shí)用意義。有關(guān)這些效應(yīng)的討論，高中物理教材幾乎沒(méi)有涉及，因此筆者就以做圓周運(yùn)動(dòng)的加速參考系為例子進(jìn)行探討，希望有助于延伸高中學(xué)生的知識(shí)視野。

這就是說(shuō)，超速離心機(jī)中的加速度幾乎比重力加速度大400000倍。在超速離心機(jī)的小室中，那些懸浮分子由于其密度與周?chē)后w的密度不同，將受到一個(gè)很強(qiáng)的力的作用，要把它們從液體中分離出來(lái)。如果它們的密度與液體的相同，就不會(huì)有分離效應(yīng)。如果它們的密度比液體的小，使之分離的力是向里的。例如，在一輛沿環(huán)行道疾馳的汽車(chē)上，一個(gè)漂浮著的充氦氣球?qū)⒁h(huán)行道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)表觀的作用力（看起來(lái)是它把分子拉向?qū)嶒?yàn)小室的外側(cè)）叫做離心（逃離中心）力。這個(gè)向外的運(yùn)動(dòng)由于周?chē)后w對(duì)懸浮分子的拖曳而受到反抗。因?yàn)椴煌N類(lèi)的分子各受到不同數(shù)值的離心力和不同的阻力，所以它們將以不同的速率在實(shí)驗(yàn)小室里向外運(yùn)動(dòng)。在超速離心機(jī)小室這個(gè)參考系中，離心力就像是向著外方向的人造重力，它的強(qiáng)度隨著離軸距離的增加而增大。不同種類(lèi)的各種分子在這個(gè)不尋常的“引力場(chǎng)”中最終都按照它們的密度依序排列成一系列層次。這樣，超速離心機(jī)就提供了一種把不同種類(lèi)的分子加以分離的非常好的方法。這種方法對(duì)于大分子特別有效，而它們往往正好是在生物學(xué)上極其重要的那些分子。由此可見(jiàn)，一個(gè)分子在加速參考系或慣性參考系中是否靜止的問(wèn)題，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究中是很有意義的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李興華，福建省漳州市，詔安縣四都中學(xué)。