高中物理中對慣性參考系和加速參考系的一些探討

摘 要：牛頓運(yùn)動定律只在慣性參考系中有效。伽利略說過，一個不受任何力作用的物體具有恒定的速度。這種說法實(shí)際上是定義了一個慣性參考系?？墒?，我們?nèi)绻荒苁孪却_定某個參照物沒有受到力的作用，就很難建立起把力和加速度聯(lián)系起來的運(yùn)動規(guī)律。我們需要有一個非加速的參考系，以便能夠相對它來測量加速度。遠(yuǎn)離其他一切物體的一個物體，可以被認(rèn)為實(shí)際上不受力的作用，因此，它沒有加速度。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；加速參考系；超速離心機(jī)

一個參考系，如果在其中對一個據(jù)信沒有受到任何作用力和約束的粒子沒有觀察到加速度，那么它就被認(rèn)為是一個慣性參考系。凡是相對慣性參考系做加速運(yùn)動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才是成立的。這一點(diǎn)，從日常經(jīng)驗(yàn)來看是顯然的。如果觀察者的參考系是靜止在一個旋轉(zhuǎn)木馬上。那么，即使沒有外力的作用，觀察者在這個參考系中的加速度也不會是零。觀察者只有頂住旋轉(zhuǎn)木馬的某個部分，按照牛頓第三定律該部分產(chǎn)生一個指向轉(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)木馬的平臺上。在這個力的表達(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的公共汽車上，那么，觀察者會由于汽車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作用力，觀察者才能相對于汽車保持靜止。

牛頓把靜止或做勻速直線運(yùn)動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某種獨(dú)立的途徑去知道這個參考系是不受力的。但這是辦不到的，因?yàn)闆]有作用力是根據(jù)沒有加速度來判斷的，這樣我們又必須要有一個參考系，以便相對于它去測量加速度；如此等等，這就陷入了循環(huán)論證。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生甚至一些教師對慣性參考系的認(rèn)識都有此類困惑，因此，覺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)格說來，判定一個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出這個參考系的微小的加速度效應(yīng)。高中物理中時常選擇地球?yàn)閰⒖枷?。一個固定在地球表面的實(shí)驗(yàn)室是否提供了一個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)和地球繞太陽公轉(zhuǎn)的運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度都考慮進(jìn)來，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題中都可以完全忽略，但就許多應(yīng)用來說，地球是慣性參考系的一個相當(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物體，可以被認(rèn)為實(shí)際上不受力的作用，因此它沒有加速度，那么它就是一個慣性參考系。實(shí)際上，自然界并無孤立物體存在，所以也無完美的慣性參考系，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)。

如果你愿意相對于一個慣性參考系去保持靜止或勻速運(yùn)動，并不需要有力作用。但是，如果你硬要在一個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力的作用。這些在加速參考系中自動出現(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有涉及，因此筆者就以做圓周運(yùn)動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)生的知識視野。

這就是說，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圍液體的密度不同，將受到一個很強(qiáng)的力的作用，要把它們從液體中分離出來。如果它們的密度與液體的相同，就不會有分離效應(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)行道疾馳的汽車上，一個漂浮著的充氦氣球?qū)⒁h(huán)行道內(nèi)側(cè)運(yùn)動。

這個表觀的作用力（看起來是它把分子拉向?qū)嶒?yàn)小室的外側(cè)）叫做離心（逃離中心）力。這個向外的運(yùn)動由于周圍液體對懸浮分子的拖曳而受到反抗。因?yàn)椴煌N類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。在超速離心機(jī)小室這個參考系中，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。不同種類的各種分子在這個不尋常的“引力場”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的分子加以分離的非常好的方法。這種方法對于大分子特別有效，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，一個分子在加速參考系或慣性參考系中是否靜止的問題，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究中是很有意義的。

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[3] 廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2011：73-74.

作者簡介：李興華，福建省漳州市，詔安縣四都中學(xué)。