淺議慣性與參照系的關(guān)系

姚黎豪

摘要：對(duì)在運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述時(shí)，需要選取一定的參照系，所選擇的參照系不同，那么對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的描述就會(huì)不同。要判斷一個(gè)參照系是否為慣性參照系，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。而在對(duì)牛頓第一定律進(jìn)行表述時(shí)，我認(rèn)為要判斷所選取的參照系是否為慣性系，其判斷的依據(jù)就是牛頓第一定律是否成立。

關(guān)鍵詞：慣性 參照系 關(guān)系

慣性系是一種十分理想化的參照系，引力不會(huì)對(duì)其起到任何作用，且其自身不存在加速度，是一種較為自由的參照系。在牛頓第一定律中，對(duì)慣性系進(jìn)行定義，因此，我認(rèn)為對(duì)慣性與參照系的關(guān)系進(jìn)行研究非常有必要。

一、慣性與參照系

慣性是指物體保持靜止或者勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，其是物體的一種固有屬性。我認(rèn)為，物體都有其自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而慣性所表現(xiàn)的就是物體對(duì)這一狀態(tài)變化的阻抗程度，而對(duì)慣性大小進(jìn)行衡量時(shí)，衡量的標(biāo)準(zhǔn)便是物體的質(zhì)量。比如，在物體不受外力時(shí)，慣性表現(xiàn)為物體的狀態(tài)維持不變；當(dāng)其受到外力的作用且外力不為0時(shí)，其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。

參照系是在對(duì)物體運(yùn)動(dòng)情形進(jìn)行研究時(shí)，所選定的具有參照作用的物體，或者彼此之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體系。將牛頓定律作為判斷依據(jù)，如果其在參照系中成立，那么就認(rèn)為其是慣性參照性；如果牛頓定律在參照系中不成立，那么則認(rèn)為此參照系是非慣性參照系。我認(rèn)為參照系具有以下特點(diǎn)：首先，可被作為參照系的物體都是假設(shè)處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的，而被研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相對(duì)于參照系來(lái)說(shuō)的。其次，任何物體都可作為參照系，因此，可根據(jù)研究需要，進(jìn)行合理選擇。最后，在不同的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)在同一參照系中進(jìn)行。

二、慣性參照系的判斷依據(jù)是牛頓第一定律

動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是高中物理研究的重點(diǎn)問(wèn)題，而在解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)，比較常用的是牛頓第一定律和牛頓第二定律。在運(yùn)用牛頓定律時(shí)，我認(rèn)為最重要的就是要確定慣性參照系。我們都知道，在經(jīng)典力學(xué)中，絕對(duì)靜止的參照系是不存在的，因此只能假設(shè)存在這樣的參照系，能夠利用此參照系對(duì)牛頓定律進(jìn)行表述，而慣性參照系是相對(duì)于絕對(duì)靜止的參照系而言的，相對(duì)于其做勻速運(yùn)動(dòng)的參照系便被定義為慣性參照系。所有的質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的位移、速度等，在不同的參照系中所取的值是不同的，但參照系之間彼此是做勻速運(yùn)動(dòng)的，所以質(zhì)點(diǎn)在不同參照系中所表現(xiàn)出的物理規(guī)律都是相同的。

在我們高中物理的學(xué)習(xí)中，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，作為恒星的太陽(yáng)，屬于慣性參照系。通過(guò)高中物理的學(xué)習(xí)，我們都知道存在于宇宙空間內(nèi)的物體都是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，所以，絕對(duì)靜止的物體的不存在的，那么絕對(duì)靜止的參照系也只是相對(duì)其他參照系而言的。假設(shè)太陽(yáng)是非慣性系，其以一定的速度和半徑圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，于是可以將其向心加速度計(jì)算出來(lái)，也就是說(shuō)我們計(jì)算出太陽(yáng)單位質(zhì)量上承受的力，即310-10N。如果我們要求的精度比計(jì)算值更低，那么就可將太陽(yáng)視為慣性系。

三、地球是常用的慣性參照系

眾所周知，地球有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，我認(rèn)為在將地球作為慣性參照系時(shí)，需要忽略掉其自轉(zhuǎn)，否則就無(wú)法對(duì)地面及其附近的物體進(jìn)行研究，且研究的是物體在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況。之所以要強(qiáng)調(diào)短時(shí)間，是因?yàn)榈厍蚬D(zhuǎn)一周所需的時(shí)間很長(zhǎng)，“短時(shí)間”是相對(duì)這一時(shí)間而言的。于是，可將太陽(yáng)作為參照物，認(rèn)為地心是在做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。比如，在自由落體運(yùn)動(dòng)中，受地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上不同的地方產(chǎn)生的加速度是不同的，而最大的加速度是0.034m/s2，與地面附近的重力加速度相比，其要小得多。因此，我認(rèn)為這是在自由落體運(yùn)動(dòng)中不考慮地球自轉(zhuǎn)的主要原因。所以，我們所學(xué)習(xí)到的自由落體運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式是豎直下落。

但是，如果我們要對(duì)自由落地運(yùn)動(dòng)做進(jìn)一步的研究，則會(huì)發(fā)現(xiàn)其落地點(diǎn)并不是在物體的正下方，而是略微有所偏離，偏離方向?yàn)闁|方。我認(rèn)為出現(xiàn)偏離的原因就是地球的自轉(zhuǎn)。因此，在對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，是需要考慮地球自轉(zhuǎn)的，所以不能將地球作為其慣性參照系。

此外，如果所研究的物體運(yùn)動(dòng)存在于較小的范圍內(nèi)，而在這個(gè)較小的范圍內(nèi)，可以將水平地面近似的看作平面。那么，此物體也可認(rèn)為是慣性參照系。而在對(duì)二體問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，最為常用的慣性坐標(biāo)系是質(zhì)心坐標(biāo)系，這主要是因?yàn)檠芯繉?duì)象是兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)，且兩者的受力是相互之間的作用力，除此之外便不受其他力的作用。所以，將慣性坐標(biāo)系作為參照物，可以發(fā)現(xiàn)質(zhì)心沒(méi)有加速度。并且，在加入一定輔助量的情況下，二體問(wèn)題便能得到簡(jiǎn)化，成為一體問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，必須在選定參照系，而其中的慣性參照系是相對(duì)于牛頓定律而言的。當(dāng)牛頓定律在參照系中成立時(shí)，則可認(rèn)為其是慣性參照系。目前，我認(rèn)為在物理學(xué)中，普遍使用的慣性參照系便是太陽(yáng)和地球。

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