力學相對性原理在物理解題中的應用

■曹 鋼

作者單位：江蘇省靖江市東興鎮中心學校

物理是一門比較考驗學生理性思維的學科，比如同學們在學習“力學相對性原理”時，就需要具備一定的邏輯思維能力，才能夠深刻理解其含義，并將其應用在實際的求解物理問題的過程中。

一、力學相對性原理的定義

力學相對性原理是物理學中非常經典的一個原理，它是由伽利略提出來的，所以也稱為伽利略相對性原理，其主要內容是“經典力學定律在任何的慣性參考系中數學形式不變”。通俗的來說，就是所有慣性參考系都是等價關系，比如一個相對于慣性參考系做勻速直線運動的物體，它內部所產生的一切有關于力學方面的概念和規律都不會受到所選參考系本身的影響。

二、力學相對性原理的理論在物理教材中的具體體現

在物理學中很多與運動相關的基本規律(牛頓第二定律、動能定理、動量守恒定律等)，都滿足力學相對性原理的理論。這些基本規律都能夠通過力學相對性原理理論推導出來。

在牛頓第二定律的定義“物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的質量成反比”中，物體的加速度實際上就是力的一種體現，而作用力和質量分別是這一力的參考系。根據所選參考系的不同，所呈現出來的關系也有所不同。在力學相對性原理中，參考系為慣性參考系，假設所選慣性參考系為S，質點的質量為m，質點相對于慣性參考系S的速度為v，質點受到的合力為F，由牛頓第二定律得。將這一公式進行反推，可以證明它是符合力學相對性原理的。

動能定理描繪的是物體動能的變化量和合外力做功之間的關系，即合外力對物體做的功等于物體動能的變化量。做功是一個過程量，動能是一個狀態量，做功的過程就是能量轉化的過程，二者之間的等量關系不因所選慣性參考系的不同而有所改變，符合力學相對性原理。

三、力學相對性原理在物理解題中的應用

1.在動力學中的應用。

動力學是理論力學的一個分支學科，主要研究作用于物體的力與物理運動之間的關系。動力學的形成理論基礎之一便是牛頓的三個運動定律，其中牛頓第二定律在解題中的應用最為廣泛。

例1在光滑的水平面上，質量分別為M1和M2的兩塊木頭，用一個長為L0，勁度系數為k的彈簧連接，讓兩塊木頭壓縮彈簧，之后放開。問：這一個系統運動時所體現的物理量主要有哪些?

分析：被壓縮的彈簧釋放之后，彈簧兩邊的木頭都將運動，因為水平桌面光滑，所以在水平方向上不受外力作用，這個參考系是慣性參考系。因此可以根據力學相對性原理進行探究與解答。

2.在涉及能量問題中的應用。

涉及能量的問題主要研究做功與能量轉化的關系，其中動能定理和動量定理是涉及能量的問題遵循的基本規律。

例2質量為M的卡車以速度V0向前方勻速行駛，在行駛的過程中，一質量為m的物塊落在了卡車上，與卡車一起運動。求當物塊與卡車的速度相同時，物塊相對地面走過的路程。其中M?m，物塊與卡車之間的動摩擦因數為μ。

分析：因為卡車沿地面勻速行駛，所以不管是選地面為參考物，還是選卡車為參考物，都是慣性參考系。利用運動學公式和動能定理即可列式求解。

綜上所述，只有正確理解力學相對性原理理論的內涵，才能實現對所學物理知識的掌握和應用。