对惯性系的理解.doc

惯性系的理解惯性参照系牛顿运动定律在其中有效的参考系，又称惯性坐标系，简称惯性系。如果S为一惯性系，则任何对于S作等速直线运动的参考系S都是惯性系；而对于S作加速运动的参照系则是非惯性参考系（非惯性系）。所有惯性系都是等效（等价）的。惯性系符合的是与惯性定律描述一致但不是惯性定律的原理，即在惯性系中，不受外力时，一切物体总保持与参考系的匀速直线运动状态或相对静止状态。惯性系中的惯性指的是相对于整个惯性系而言，不同惯性系中所指惯性可能不同。例如惯性系中物体由于惯性保持相对静止状态，从另一个惯性系观察，物体作匀速直线运动。相对静止的物体仍保持原有状态。可见不同惯性系有时所指的惯性不同。惯性系中的惯性称为相对惯性，与惯性定律中惯性不同。惯性系中的惯性是相对于惯性系与其中的物体整体而言，惯性定律中惯性是物体自身的性质。1 惯性系的定义对一切运动的描述，都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同，对运动的描述，或者说运动方程的形式，也随之不同。在有些参考系中，不受力的物体会保持相对静止或匀速直线运动状态，其时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的。在这样的参考系内，描述运动的方程有着最简单的形式，此参考系就是惯性参考系。朗道场论（主要是相对论电动力学）给出的定义 ：牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性系 （原文直接说在这样的参考系中，一个不受相互作用的粒子将保持相对静止或匀速直线运动）。这个定义在牛顿力学和狭义相对论中均适用。牛顿第一定律定义了惯性系。牛顿力学在惯性系中成立（在相对论中，修正为麦克斯韦方程组和相对论力学在其中成立）。这样就不存在逻辑循环，同时也说明，牛顿第一定律不是牛顿第二定律在F=0时的特殊情况。在空间中，相对于任何参考点（静止中或移动中），一个运动中的粒子的位移、速度和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此，经典力学假定有一组特别的参考系。在这组特别的参考系内，大自然的力学定律呈现出比较简易的形式，称这些特别的参考系为惯性参考系（惯性系）。惯性系有个特性：两个惯性系之间的相对速度必是常数；相对于一个惯性系，任何非惯性参考系（非惯性系）必定呈加速度运动。所以，一个净外力是零的点粒子在任何惯性参考系内测量出的速度必定是常数；只有在净外力非零的状况下，才会有点粒子加速度运动。因为万有引力的存在，并无任何方法能够保证找到净外力为零的惯性系。实际而言，相对于遥远星体呈现常速度运动的参考系应是优良的选择。惯性系是不存在引力作用、不存在自身加速度的“自由”参考系。在经典力学中，这是一种理想参考系：由于宇宙空间中无处不存在引力，实际的惯性系是不存在的。在广义相对论中，由于引力作用和加速度是完全等效的，对于一个在引力场中作自由落体运动的参考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。这样的参考系，是一个真实的“自由”参考系。由于引力场在空间中的分布是不均匀的，惯性系只可能是局域的，也被称为局域惯性参考系。宇宙中不存在全局惯性参考系。2 惯性系的判定一个参考系是不是惯性系，只能由实验确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立与否。根据伽利略相对性原理，和一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。在实践中，总是根据实际需要选取近似的惯性系。比如，在研究地面上物体小范围内的运动时，地球是一个良好的惯性系。实践表明，对于一般工程技术中的动力学问题，与地球相固结的坐标系是一个很好的近似的惯性系。在研究太阳系中天体的运动时，太阳是一个很好的惯性系。3 平动坐标架和局域惯性系如图所示: 在不变的情况下, 沿方向架Z轴, 并让X和Y轴以相对于球壳转动, 即与小球同步旋转坐标架OXYZ相对于球壳以转动, 而球壳又相对于全域的惯性系以转动, 故OXYZ相对于全域的惯性系必无转动.这是令人惊奇的: 无需找到全域的惯性系, 单凭小球的圆锥形螺旋运动, 就可建立起相对于全域的惯性系平动的坐标架OXYZ. 4 惯性参考系与质心参考系和星球参考系的关系星球参考系和质心参考系相对于惯性系都有平动加速度, 故它们不是惯性系; 但在一定的条件下, 可以把它们当作惯性系来用. 将 一定的条件用于地心参考系与日心参考系所得的结论, 与/摸着石头过河0所得的结论是一致的. 由于本文是从理论上分析问题, 当然就比摸着石头过河站得更高了。其高明之处是: 过去认为远处星球的引力可以忽略。5 对惯性系的补充相对惯性系作等速直线运动的任何参考系都是惯性系，因为在这些参考系中牛顿运动定律都成立（见伽利略变换），即在相对惯性系作等速直线运动的任何参考系中，力学规律的表达形式都一样。或者说，任何一个惯性系中所作的任何力学实验都无法测定惯性系本身的速度。这个论断常称为力学相对性原理，它是伽利略于1632年在他的名著关于哥白尼和托勒玫两大世界体系的对话中首先提出来的，故又称伽利略相对性原理。该书中伽利略列举了大量事实说明在等速直线运动着的船上和在地面上的力学规律的表达形式完全相同。所有的惯性参考系都是等效的。伽利略最早说明了这个事实：在一个封闭的系统中，不论进行怎样的力学实验，都不能判断一个惯性系统是处于静止状态或是在作等速直线运动。伽利略相对性原理是最早被引入物理学中的基本原理之一，它是牛顿的宇宙观的基础，其正确性被大量的物理事实所证明。1905年，爱因斯坦在他的论文论动体的电动力学中将力学的相对性原理推广到物理学的其他领域（如电、磁、光学等领域），提出了爱因斯坦的狭义相对性原理：在任何惯性系中物理定律具有相同的表达形式。爱因斯坦将这个相对性原理与光速不变原理相结合，创建了狭义相对论。6 结论对一切运动的描述，都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同，对运动的描述，或者说运动方程的形式，也随之不同。人类从经验中发现，总可以找到这样的参考系：其时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的；在这样的参考系内，描述运动的方程有着最简单的形式。这样的参考系就是惯性系。 朗道场论（主要是相对论电动力学）给出的定义 ： 牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性系 。（原文没有用牛顿第一定律，而是直接说在这样的参照系中，一个不受相互作用的粒子将保持静止或匀速直线运动）。这个定义在牛顿力学和狭义相对论中均适用。 在空间内，相对于任何参考点（静止中或移动中），一个运动中的粒子的位移、速度、和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此，经典力学假定有一组特别的参考系。在这组特别的参考系内，大自然的力学定律呈现出比较简易的形式。称这些特别的参考系为惯性参考系。惯性参考系有个特性：两个惯性参考系之间的相对速度必是常数；相对于一个惯性参考系，任何非