慣性系的理解

1、慣性系的理解X X1,XXX2,X X X1（1.大慶師范大學(xué)物理與電氣信息工程系，黑龍江大慶163712；）摘要：牛頓第一、第二定律（見牛頓運(yùn)動(dòng)定律）在其中有效的參照系，簡稱慣性系。如果s為一慣性參照系，則任何對(duì)于s作等速直線運(yùn)動(dòng)的參照系都是慣性參照系；而對(duì)于s作加速運(yùn)動(dòng)的參照系則是非慣性參照系。所有的慣性參照系都是等效的，慣性參照系即慣性系1關(guān)鍵詞：慣性；牛頓第一定律；牛頓第二定律；參照系；作者簡介：基金項(xiàng)目：大慶師范學(xué)院青年基金研究項(xiàng)目：垃圾郵件處理系統(tǒng)（YJG0629）0引言慣性系的定義可通俗地說成：先找一個(gè)不受力的物體，再選一參照物來觀測(cè)它，若它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變， 則這個(gè)參照物便是慣性

2、系；否則，這個(gè)參照物便不是慣性系。朗格提出慣性系的概念，是想單獨(dú)利用慣性定 律來尋找慣性系.由于太空的引力場無處不在，故不受力的物體根本就不存在，當(dāng)然朗格的想法只能化為 泡影.雖然未找到慣性系，但慣性系的概念還是在物理學(xué)中廣為流傳了.現(xiàn)在通常把牛頓力學(xué)框架說成是： 牛頓定律加慣性系21慣性系的定義對(duì)一切運(yùn)動(dòng)的描述，都是相對(duì)于某個(gè)參考系的。參考系選取的不同，對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述，或者說運(yùn)動(dòng)方程 的形式，也隨之不同。人類從經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，總可以找到這樣的參考系：其時(shí)間是均勻流逝的，空間是均勻 和各向同性的；在這樣的參考系內(nèi)，描述運(yùn)動(dòng)的方程有著最簡單的形式。這樣的參考系就是慣性系。 編輯本段慣性系判定一個(gè)參考系

3、是不是慣性系，只能由試驗(yàn)確定。最基本的判據(jù)就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立與否。根據(jù)伽利略 相對(duì)性原理，和一個(gè)慣性系保持相對(duì)靜止或相對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參考系也是慣性系。在實(shí)踐中，人們 總是根據(jù)實(shí)際需要選取近似的慣性參考系。比如，在研究地面上物體小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球是一個(gè)很好 的慣性系。在研究太陽系中天體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽是一個(gè)很好的慣性系囹。2平動(dòng)坐標(biāo)架和局域慣性系2.1平動(dòng)坐標(biāo)架如圖3所示：在一不變的情況下，沿一方向架Z軸，并讓又和丫軸以一相對(duì)于球殼轉(zhuǎn)動(dòng)，即與小球同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)架OXYZffi對(duì)于球殼以一轉(zhuǎn)動(dòng)，而球殼又相對(duì)于全域的慣性系以，轉(zhuǎn)動(dòng)，故OXYZ相對(duì)于全 域的慣性系必?zé)o轉(zhuǎn)動(dòng).這是令人驚奇的：無需

4、找到全域的慣性系，單憑小球的圓錐形螺旋運(yùn)動(dòng)，就可建立起 相對(duì)于全域的慣性系平動(dòng)的坐標(biāo)架O XYZI5.3慣性參考系與質(zhì)心參考系和星球參考系的關(guān)系星球參考系和質(zhì)心參考系相對(duì)于慣性系都有平動(dòng)加速度，故它們不是慣性系；但在一定的條件下，可 以把它們當(dāng)作慣性系來用.將一定的條件用于地心參考系與日心參考系所得的結(jié)論，與/摸著石頭過河0所 得的結(jié)論是一致的.由于本文是從理論上分析問題，當(dāng)然就比摸著石頭過河站得更高了.其高明之處是：過 去認(rèn)為遠(yuǎn)處星球的引力可以忽略4結(jié)論對(duì)一切運(yùn)動(dòng)的描述，都是相對(duì)于某個(gè)參考系的。參考系選取的不同，對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述，或者說運(yùn)動(dòng)方程 的形式，也隨之不同。人類從經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，總可以找到這

5、樣的參考系：其時(shí)間是均勻流逝的，空間是均勻 和各向同性的；在這樣的參考系內(nèi)，描述運(yùn)動(dòng)的方程有著最簡單的形式。這樣的參考系就是慣性系刀。朗道場論（主要是相對(duì)論電動(dòng)力學(xué)）給出的定義：牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性系。（原 文沒有用牛頓第一定律，而是直接說在這樣的參照系中，一個(gè)不受相互作用的粒子將保持靜止或勻速直線 運(yùn)動(dòng)）。這個(gè)定義在牛頓力學(xué)和狹義相對(duì)論中均適用兇。在空間內(nèi)，相對(duì)于任何參考點(diǎn)（靜止中或移動(dòng)中），一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的粒子的位移、速度、和加速度都可以 測(cè)量計(jì)算而求得。雖然如此，經(jīng)典力學(xué)假定有一組特別的參考系。在這組特別的參考系內(nèi)，大自然的力學(xué) 定律呈現(xiàn)出比較簡易的形式。稱這些特別的參考系為慣性

6、參考系列。慣性參考系有個(gè)特性：兩個(gè)慣性參考 系之間的相對(duì)速度必是常數(shù)；相對(duì)于一個(gè)慣性參考系，任何非慣性參考系必定呈加速度運(yùn)動(dòng)。所以，一個(gè) 凈外力是零的點(diǎn)粒子在任何慣性參考系內(nèi)測(cè)量出的速度必定是常數(shù)；只有在凈外力非零的狀況下，才會(huì)有 點(diǎn)粒子加速度運(yùn)動(dòng)。問題是，因?yàn)槿f有引力的存在，并無任何方法能夠保證找到凈外力為零的慣性參考系。 實(shí)際而言，相對(duì)于遙遠(yuǎn)星體呈現(xiàn)常速度運(yùn)動(dòng)的參考系應(yīng)是優(yōu)良的選擇US。參考文獻(xiàn)1張廣平.無阻尼單擺運(yùn)動(dòng)微分方程對(duì)數(shù)函數(shù)形式的精確解J.江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(01).2劉世國.電場中的等效思想J.中學(xué)生數(shù)理化(高二版),2009,(Z1).3張春巍，李蘆鈺，喻言，歐進(jìn)萍.懸吊結(jié)構(gòu)體系擺振響應(yīng)測(cè)試及非線性誤差修正J.振動(dòng).測(cè)試與診斷,2010,(03).4鄧洪洲，董軍，王肇民.多個(gè)懸吊擺體系對(duì)電視塔風(fēng)振控制研究J.振動(dòng)與沖擊，1998,(02).5羅宏.非對(duì)稱磁場中單擺運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性J.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(01).6廖傳坤.單擺在復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)情況的討論J.新課程(教研版),2010,(04).7劉艷軍,肖波齊.考慮擺球線度與擺線質(zhì)量時(shí)單擺的周期研究J.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(02).8孟擁軍.帶電粒子在磁