力学竞赛资料-惯性参考系与非惯性参考系.doc

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1、惯性参考系与非惯性参考系　　目的　　•正确理解惯性参考系的定义　　•正确识别惯性参考系与非惯性参考系　　•正确理解惯性力的概念　　•知道惯性力不是物体间的相互作用　　•会正确运用惯性力计算有关问题　　思考问题1：牛顿第一定律的内容是什么？　　(答：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。)　　说明：这条定律正确地说明了力与运动的关系：物体的运动不需要力去维持：力是改变物体运动状态(产生加速度)的原因。　　问题2：当你和同伴同时从平台跳下，如各自以自身为参考系，对方做什么运动？(答：

2、对方是静止的。)　　问题3：在平直轨道上运动的火车中有一张水平的桌子，桌上有一个小球，如果火车向前加速运动，以火车为参考系，小球做什么运动？(答：小球加速向后运动。)　　疑问：问题2中，既然对方是静止的，按照牛顿第一定律，他不应受到力的作用，然而每个人都的确受到重力的作用。这怎么解释呢？　　问题3中，小球加速向后运动，按照牛顿第一定律，小球应受到力的作用，然而小球并没有受到向后的力。这又怎么解释呢？　　对这个问题暂时还不能解释，但我们至少能说明一点：并非对一切参考系，牛顿第一定律都成立。　　惯性参考系与非惯性参考

3、系　　我们以牛顿运动定律能否成立来将参考系划分为两类：惯性参考系和非惯性参考系。　　•两种参考系　　•惯性参考系：牛顿运动定律成立的参考系，简称惯性系。　　中间空出两行。　　•非惯性参考系：牛顿运动定律不能成立的参考系。　　要判断一个参考系是否为惯性参考系，最根本的方法是根据观察和实验；判断牛顿运动定律在参考系中是否成立。　　分析问题2：当你和同伴同时从平台跳下，以地面为参考系，做匀加速运动。由于人受重力作用，所以人做匀加速运动，这是符合牛顿运动定律的。　　我们生活在地球上，通常是相对地面参考系来研究物体运动的。

4、伽利略的理想实验以及我们前面做过的研究运动和力的关系的实验，都是以地面作参考系的。在地面上作的许多观察和实验表明：牛顿运动定律对地面参考系是成立的。　　•地面参考系是惯性参考系。　　除了地面参考系，牛顿运动定律还对什么参考系成立呢？　　分析问题3：如果火车向前作匀速直线运动，以火车为参考系，小球保持静止。小球所受的合外力为零，符合牛顿运动定律。可见：相对于地面作匀速直线运动的参考系，也是惯性参考系。　　让我们再来看看伽利略对船舱里观察到的现象的描述：(阅读)“……船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行

5、；鱼向各个方向随意游动；水滴滴进下面的缸中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向那个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动……”。　　这说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测，与地面上的力学实验和观测，结果并没有差异。也就是说：以相对地面做匀速直线运动的物体作为参考系，牛顿

6、运动定律是成立的。　　•相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性参考系　　相对地面做变速运动的参考系是惯性参考系吗？　　分析问题2：当你和同伴同时从平台跳下，如各自以自身为参考系，参考系相对地面做匀加速运动。我们观测到：同伴相对自己是静止的，他应该不受力，然而他的确受到了重力的作用。这说明：在相对地面做变速运动的参考系里，牛顿运动定律不再成立。　　分析问题3：如果火车向前加速运动，以火车为参考系，在车厢里将观测到：小球向后加速运动，而小球并没有受到其他物体的作用力，所受的合力仍为零。这也进一步表明：在相对地面做变速运

7、动的参考系里，牛顿运动定律不再成立。　　相对地面做变速运动的参考系不是惯性参考系　　严格说来，地面参考系也不是惯性参考系。由于地球的自转，地面各点都在做圆周运动，具有向心加速度(在曲线运动中将学到)，它的影响在地理学、气象学中十分明显。但是，对日常所见的大量运动问题，在相当高的精度内，地球是惯性系。　　在讨论运动学问题时，我们可以按照方便与否自由地选择参考系，但是在动力学问题中，便没有这种自由选择的权利了。我们只能在惯性系中运用牛顿运动定律。　　但是，有时以变速运动的物体做参考系来研究问题十分方便，为了使牛顿运动

8、定律在非惯性系中也能在形式上成立，物理学中引入了一种形式上的力，叫做惯性力。　　•惯性力　　　　在问题3中：如图，火车做匀加速运动，以火车为参考系观察，小球不受力却以速度-a相对于车身运动，这不符合牛顿定律；然而，以加速运动的车厢为参考系观察小球的运动时，可以设想有一个力Fi作用在小球上，这个力的方向与火车对地面的加速度a的方向相反，其大小等于小球质量m与加速度a的乘积，