高中物理中对惯性参考系和加速参考系的一些探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 高中物理中对惯性参考系和加速参 考系的一些探讨 摘 要：牛顿运动定律只在惯性 参考系中有效。伽利略说过，一个不受 任何力作用的物体具有恒定的速度。这 种说法实际上是定义了一个惯性参考系。 可是，我们如果不能事先确定某个参照 物没有受到力的作用，就很难建立起把 力和加速度联系起来的运动规律。我们 需要有一个非加速的参考系，以便能够 相对它来测量加速度。远离其他一切物 体的一个物体，可以被认为实际上不受 力的作用，因此，它没有加速度。宇宙 中，一颗恒星距离它最近的别的恒星至 少有 1016m，因而可以料想它只有很小 的加速度。于是，我们认为这些固定的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 恒星能够以很高的近似程度确定出一个 方便的非加速参考系。 中国论文网 /9/view-13005908.htm 关键词：惯性参考系；加速度； 地球；太阳；加速参考系；超速离心机 一个参考系，如果在其中对一个 据信没有受到任何作用力和约束的粒子 没有观察到加速度，那么它就被认为是 一个惯性参考系。凡是相对惯性参考系 做加速运动的参考系都是非惯性参考系， 也叫做加速参考系。牛顿第一、第二定 律只有在惯性参考系中作观察时才是成 立的。这一点，从日常经验来看是显然 的。如果观察者的参考系是静止在一个 旋转木马上。那么，即使没有外力的作 用，观察者在这个参考系中的加速度也 不会是零。观察者只有顶住旋转木马的 某个部分，按照牛顿第三定律该部分产 生一个指向转轴的力 Mr2 作用在观察 者身上，观察者才能站稳在旋转木马的 平台上。在这个力的表达式中，M 是观 察者身体的质量，r 是观察者离转轴的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 距离， 是角速度。另外，假设观察者 的参考系静止在一辆加速启动的公共汽 车上，那么，观察者会由于汽车加速而 被紧压在座位的靠背上，只是多亏靠背 给观察者一个作用力，观察者才能相对 于汽车保持静止。 牛顿把静止或做匀速直线运动的 参考系叫做惯性参考系。牛顿确定惯性 参考系的办法，是假定我们可以通过某 种独立的途径去知道这个参考系是不受 力的。但这是办不到的，因为没有作用 力是根据没有加速度来判断的，这样我 们又必须要有一个参考系，以便相对于 它去测量加速度；如此等等，这就陷入 了循环论证。笔者在教学过程中发现许 多学生甚至一些教师对惯性参考系的认 识都有此类困惑，因此，觉得颇有必要 把某参考系是否可视为惯性参考系做一 下探讨。 严格说来，判定一个特定的参考 系是不是惯性系，这取决于观察者能以 多大的精确度去探测出这个参考系的微 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 小的加速度效应。高中物理中时常选择 地球为参考系。一个固定在地球表面的 实验室是否提供了一个很好的惯性参考 系呢？ 以上计算的结果表明，即使把地 球自转和地球绕太阳公转的运动所产生 的加速度都考虑进来，固定在地面上的 实验室具有的加速度也是很小的，虽然 它并不是在所有的问题中都可以完全忽 略，但就许多应用来说，地球是惯性参 考系的一个相当好的近似。大量的观察 和实验表明，研究地球表面附近的许多 现象，在相当高的实验精度内，地球是 惯性参考系。 远离其他一切物体的一个物体， 可以被认为实际上不受力的作用，因此 它没有加速度，那么它就是一个惯性参 考系。实际上，自然界并o 孤立物体 存在，所以也无完美的惯性参考系，总 是在一定精度内视某参考系为惯性参考 系。某参考系是否可视为惯性参考系， 从根本上讲要根据观察和实验。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 如果你愿意相对于一个惯性参考 系去保持静止或匀速运动，并不需要有 力作用。但是，如果你硬要在一个加速 参考系中保持静止，你就一定得受到像 旋转木马的一部分或座位靠背所施的那 样一个力的作用。这些在加速参考系中 自动出现的力在物理学上是十分重要的。 不是在惯性参考系中时所出现的那些效 应可以是大量的！而且，这些效应可以 有很大的实用意义。有关这些效应的讨 论，高中物理教材几乎没有涉及，因此 笔者就以做圆周运动的加速参考系为例 子进行探讨，希望有助于延伸高中学生 的知识视野。 这就是说，超速离心机中的加速 度几乎比重力加速度大 400000 倍。在 超速离心机的小室中，那些悬浮分子由 于其密度与周围液体的密度不同，将受 到一个很强的力的作用，要把它们从液 体中分离出来。如果它们的密度与液体 的相同，就不会有分离效应。如果它们 的密度比液体的小，使之分离的力是向 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 里的。例如，在一辆沿环行道疾驰的汽 车上，一个漂浮着的充氦气球将要朝环 行道内侧运动。 这个表观的作用力（看起来是它 把分子拉向实验小室的外侧）叫做离心 （逃离中心）力。这个向外的运动由于 周围液体对悬浮分子的拖曳而受到反抗。 因为不同种类的分子各受到不同数值的 离心力和不同的阻力，所以它们将以不 同的速率在实验小室里向外运动。在超 速离心机小室这个参考系中，离心力就 像是向着外方向的人造重力，它的强度 随着离轴距离的增加而增大。不同种类 的各种分子在这个不寻常的“引力场” 中 最终都按照它们的密度依序排列成一系 列层次。这样，超速离心机就提供了一 种把不同种类的分子加以分离的非常好 的方法。这