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?參照系的變換與相對(duì)運(yùn)動(dòng)

 cosmos2062 2022-09-30 發(fā)布于廣東

在解決實(shí)際問題時(shí),經(jīng)常需要處理不同參照系對(duì)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)的描寫方式之間的變換。

前面已經(jīng)說過,我們觀測(cè)和描寫物體的運(yùn)動(dòng)總是相對(duì)于某個(gè)參照系而言的。當(dāng)選擇不同的參照系時(shí),對(duì)運(yùn)動(dòng)的描寫并不相同。這樣,在解決實(shí)際問題時(shí),就經(jīng)常需要處理不同參照系對(duì)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)的描寫方式之間的變換。
考慮參照系 相對(duì)于參照系 作平移運(yùn)動(dòng)。由于參照系的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)額外的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),在這里暫時(shí)不考慮參照系之間的轉(zhuǎn)動(dòng)。假定一個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子在某個(gè)時(shí)刻處于空間中的 點(diǎn),在 中的觀測(cè)者觀測(cè)到這個(gè)粒子的位置為 ,在這個(gè)時(shí)刻, 的原點(diǎn)相對(duì)于 的位置為 ,它上面的觀測(cè)者觀測(cè)到這個(gè)粒子的位置為 。顯然,兩個(gè)參照系中的觀測(cè)者對(duì)這個(gè)粒子的位置的描寫應(yīng)該滿足如下關(guān)系:

(1)

上述參照系之間的變換關(guān)系成立的一個(gè)重要前提是,兩個(gè)參照系對(duì)時(shí)間和空間的度量有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)想在參照系 中有一把米尺和一個(gè)時(shí)鐘,米尺的長(zhǎng)度用 標(biāo)記,時(shí)鐘走過的時(shí)間用 標(biāo)記。在參照系 中也有一把米尺和一個(gè)時(shí)鐘,米尺的長(zhǎng)度用 標(biāo)記,時(shí)鐘走過的時(shí)間用 標(biāo)記。要求兩個(gè)參照系有一個(gè)統(tǒng)一的空間度量標(biāo)準(zhǔn)指的是兩個(gè)參照系的米尺的長(zhǎng)度相等:;要求兩個(gè)參照系有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間度量標(biāo)準(zhǔn)則表示,如果在某個(gè)特定的時(shí)刻將兩個(gè)參照系的時(shí)鐘作同步校準(zhǔn):,那么,這兩個(gè)時(shí)鐘將保持同步:。在經(jīng)典力學(xué)的范疇內(nèi),上述關(guān)于時(shí)間和空間有統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)的觀點(diǎn)是顯而易見的,被稱為絕對(duì)時(shí)空觀,整個(gè)經(jīng)典力學(xué)就建立在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上。在狹義相對(duì)論中,這個(gè)變換關(guān)系要由洛侖茲變換取代。
由于不同參照系有統(tǒng)一的時(shí)間度量標(biāo)準(zhǔn),因此,可以對(duì)變換式 (1) 式的兩邊求一階時(shí)間導(dǎo)數(shù):,由此得到速度之間的變換關(guān)系:

(2)

其中 是在 系中測(cè)得的粒子的速度,通常被稱為絕對(duì)速度, 是在 系中測(cè)得的速度,通常被稱為相對(duì)速度,而 則被稱為牽連速度,是 系相對(duì)于 系的速度。對(duì)速度變換式 (2) 式再求一次時(shí)間導(dǎo)數(shù),,就得到加速度的變換公式:

(3)

利用參照系之間的變換關(guān)系可以解決許多與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的問題,以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:一架飛機(jī)正在空中飛行,它上面的羅盤指示飛機(jī)頭朝向正東,空氣流速表的讀數(shù)是 。此時(shí),在地面上測(cè)得飛機(jī)所在空域的風(fēng)向?yàn)檎巷L(fēng),風(fēng)速是 。這架飛機(jī)實(shí)際上真的是往東飛嗎?在地面上看,這架飛機(jī)的飛行狀態(tài)如何?如果飛行員想朝正東飛行,飛機(jī)頭應(yīng)該指向哪個(gè)方位?
下面是對(duì)這個(gè)問題的分析求解過程:因?yàn)榭諝饬魉俦淼淖x數(shù)顯示的是飛機(jī)相對(duì)于周圍的空氣的速率,因此,選流動(dòng)的空氣為運(yùn)動(dòng)參照系 ,地面為 系,兩個(gè)參照系上的坐標(biāo)系都選擇朝向正東為 軸的正方向,朝向正北為 軸的正方向。在參照系和坐標(biāo)系的這種選擇下,如果飛機(jī)頭朝向正東,則飛機(jī)相對(duì)于空氣的速度和牽連速度就是這樣的:

因此,在地面上看,飛機(jī)的航速為

據(jù)此可畫出飛機(jī)的航向圖:

因此,飛機(jī)實(shí)際上朝東偏北 的方向飛行,對(duì)地航速為 。如果飛行員想朝正東方向飛行,則飛機(jī)的航速必須滿足如下關(guān)系:

這個(gè)式子顯示,飛機(jī)的對(duì)地航速與風(fēng)速必定構(gòu)成直角三角形的兩條直角邊,而相對(duì)速度則是這個(gè)三角形的斜邊,如下圖所示:

假定飛機(jī)頭的方向與航向之間的夾角為 ,則上式就可以具體寫成

相應(yīng)的分量等式為

由此可以解出對(duì)地航速為 ,飛機(jī)頭必須朝向東偏南 的方向飛行才能最終到達(dá)目的地。

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