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慣性系和非慣性系
我們在學(xué)習(xí)中經(jīng)常說“牛頓運動定律是普遍適用的”,其實只能直接地應(yīng)用在“慣性系”中;對于“非慣性系”,則需要引入一個虛擬的“慣性力”,才能應(yīng)用牛頓定律。
什么是“慣性系”,何為“非慣性系”?下面我們從在本章習(xí)題里遇到的“升降機”問題中來予以說明。設(shè)某一物體在靜止的起重機上時,所受的重力為G;當(dāng)起重機勻加速上升(或勻減速下降)時,懸掛物體的彈簧秤的拉力T大于G;當(dāng)起重機勻加速下降(或勻減速上升)時,彈簧秤的拉力T小于G。這種現(xiàn)象對于以地面為參考系的觀察者來說,并不難理解,因為:勻加速上升時:T-G=ma,所以T>G;勻加速下降時:G-T=ma,所以T 。
但是以在起重機里的觀察者看來,則感到似乎物體所受的重力發(fā)生了變化。
由上邊的例子可以看出:以不同的參考系進(jìn)行觀察,對同一事件可以得出不同的認(rèn)識。當(dāng)我們以地面為參考系時,可以運用牛頓運動定律來考慮問題,我們稱這種“牛頓運動定律能夠適用的參考系”為慣性系。當(dāng)我們以做變速運動的起重機為參考系時,則不能直接應(yīng)用牛頓運動定律來處理問題,我們稱這種系統(tǒng)為“非慣性系”。
例如前進(jìn)中的車輛驟然停止時,在慣性系中的地面上的觀察者看來,車廂中的乘客沒有受到外力,仍然向前做慣性運動,但車內(nèi)乘客卻覺得自己好像受到一個力,使自己向前倒去。人們?yōu)榱耸古nD運動定律也能應(yīng)用于非慣性系而引入了“慣性力”的概念。這個力不是由于物體間的相互作用而產(chǎn)生的,而是為了描寫非慣性系的變速運動的性質(zhì)而引入的假想的力;上面乘客感覺受到的力即為慣性力,為了與“慣性力”相區(qū)別,我們把物體間相互作用的力稱為“牛頓力”。在非慣性系中運用牛頓第二定律處理問題時,不但要考慮“牛頓力”,而且還要考慮“慣性力”。
當(dāng)然,在我們中學(xué)物理教材中的力學(xué)問題,都是在慣性系中來討論的。