浅析非惯性系中的一些物理现象及简单应用.doc

《浅析非惯性系中的一些物理现象及简单应用.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、浅析非惯性系中的一些物理现象及简单应用蔡长青中学物理教科书《牛顿运动定律》中谈到有关惯性系和非惯性系的内容，尽管是选学内容，但本人从拓宽学生知识而的角度出发，与读者共同探讨非惯性系屮的一些物理现彖及简单应用0首先明确什么是惯性系和非惯性系呢？为确定某物体的位置和描述某运动而选作标准的另一个不变形的物体或相对位置保持不变的物休系称为参考系。参考系分为惯性系和非惯性系，对牛顿运动定律成立的参考系称为惯性参考系，简称惯性系。相对于惯性系做匀速直线运动的参考系也是惯性系。相对惯性系做加速运动或转动的参考系称为非惯性参考系，简称非惯性系。在非惯性系中，牛顿运动圧律

2、不成立。•个参考系是否为惯性系要依靠观测和实验來判断，并且取决于实验能以多大的精度去测出这个参考系的微小加速度效应。地球农而一点山于白转产生的向心加速度很小，在一般的工程力学中，地球是近似性很好，足够精确的惯性参考系。但对■于分析与地球自转有关的力学现象时，地球就不能再看成惯性系了。现在让我们看以下儿个简单物理现象：现象一：匀速行驶的小车内，髙为h的货架上放有一个小球，小车突然以加速度d做匀加速运动，小球落地点不是在货架止下方。（求：小球落地点到货架下端的距离。）解析：如以地为参考系，山于惯性，小球有一水平方向的初速度旳，小球做平抛运动,小车做匀加速直线

3、运动。解得：S=5车-St^=cih/g以小车为参考系，在非惯性系中，解答更简捷。小球将受到向后的惯性力和向下的重力的作用。其中惯性力F=-ma（a为平动小车的加速度，也为小球质最，F为惯性力，负号表示惯性力与加速度方向相反），小球在惯性力及重力的作用下，斜向下做匀加速直线运动,则小球水平方向的位移（水平方向做匀加速直线运动），必须指出惯性力是在非惯性系中出现的力，它不是曲物体之间相互作用血产生的。既没有惯性力的施力物休，当然没有惯性力的反作用力，无论在惯性系还是在非惯性系，我们都町以观测到相互作用力，但是只有在非惯性系中才能观测到惯性力。小球放在光滑的

4、水平面上，同固定在车厢壁上的弹•簧相连，当车厢以加速度a运动时，弹•簧被拉长，施于小球艸•性力几若以地球为参考系（这里可作为惯性系），根据牛顿第二定律，小球在F的作用下，获的加速度a,随同车厢以加速度a—起前进，得到F=ma0若以车厢为参考系，则会观察到小球受弹性力F的作用而静止。如果企图用牛顿定律解释上诉现象，则必须假想有一惯性力/•作用在小球上，WH/=-F,于是小球所受合力,/+F=0,所以小球静止。这样在非惯性系中讨论质点动力学问题时保持质点动力学方程不变。现象二：在空间站中，宇航员处于完全失重状态。我们知道地球本身在自转，假如自转速度增加，地球

5、上的物体是否会漂浮起來？当白转角速度达到多少时，位于赤道的人将漂浮起來？解析：山于空间站进入轨道后近似认为是绕地球做圆周运动，山所受万有引力提供做圆周运动的向心力，具有向心加速度，并等于空间站所在高度处的重力加速度，全部用于改变空间站运动的方向，宇航员处于完全失重状态。而以空间站为参考系，宇航员是静止的,这时牛顿运动定律不适用,为了说明宇航员能保持平衡,必须想象一个与万有引力方向相反、大小相等的力作用在宇航员身上，这个力就叫惯性离心力。位于地球上的物体所受的重力是万有引力的一•个分力，另一个分力提供物体随地球一起白转做圆周运动的向心力，当地球转速增加时，

6、物体所需的向心力也增加，物体对地面的压力减少，当转速增加到一定值时，地球表面的物体将漂浮起來。引力全部提供物体做圆周运动的向心力。现象三：地球表面的河流，在北半球右侧冲刷的厉害，南半球左侧冲刷的厉害（这里的'‘右”侧和“左”侧，是指观测者面向河流流动方向的）。解析：这种现象之所以发生，是因为物体具有惯性，力图保持其运动速率和方向。然而,地球上的水平方向都以经线和纬线为准，经线的方向就是南北方向，纬线的方向就是东西方向。但是山于地球的自转，作为南北和东西方向基准的经线和纬线，都随着地球白转而不断的改变着它们的空间的方向。于是，真止保持不变方向的物体的水平运

7、动，用地球上的水平方向表示，倒是相对地发生了偏转。地球自转的方向是自西向东，在北半球是逆时针方向，即自右相左转动；在南半球是顺吋针方向，即自左相右转动。因此，北半球的经线和纬线都向左偏转，以致那里的水平运动方向相对地发生右偏；南半球的经线和纬线都向右偏转，以致那里的水平运动发生左偏。按惯性定律推论，如果物体改变它的速率和方向，那么，这种变化必定受到外力的作用。于是，人们设想有一个假想的力作用于水平运动物体，使它发生左右偏转。法国科学家奥利（1792J843）最早研究并证明它的存在，故称这种视力为科里奥利力（或简称科氏力）。地理和气象学上则形象的称它为地转

8、偏向力。F=2/nV6>sinB（也为物体质量，V是水平运动速度，Q为地球自转角