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?非慣性參照系

 cosmos2062 2023-10-31 發(fā)布于廣東
在一個平動加速的非慣性參照系中,一個粒子將感受到一個與加速度的方向相反的慣性力。慣性力是為了在非慣性系中能夠使用牛頓運動定律討論粒子受力運動而引入的假想的力,不存在施力物體,沒有反作用力的概念。
在討論相對性原理的問題中,我們論證了慣性參照系的等價性:在運用自然定律的時候,無需理會一個參照系是否有相對運動,自然規(guī)律適用于所有相對做勻速直線運動的參照系。然而,在實際應(yīng)用中,我們還會經(jīng)常與非慣性參照系打交道。在不同的非慣性參照系中,自然規(guī)律會表現(xiàn)出不同的形式。

最常見的非慣性參照系是加速啟動的車輛 (將大地當(dāng)作慣性系),這一類參照系的特點是,它們相對于某個慣性系作平動加速。平動加速有兩種可能的運動方式:第一種運動方式是,非慣性系只沿著某個確定的方向加速,即參照系沿直軌道運動;第二種運動方式是,非慣性系沿任意形狀的彎曲軌道運動,但是,固聯(lián)于該非慣性系中的任意一條直線相對于慣性系沒有旋轉(zhuǎn)運動。在一個做平動加速的參照系中,觀測者將會感受到一個與參照系的加速度有關(guān)的力,被稱為慣性力。

考慮一個參照系 相對于慣性系 做加速度為 的平動加速運動,在這兩個參照系中觀測一個粒子在空間中運動。根據(jù)相對運動的坐標(biāo)變換關(guān)系,在 中觀測到的粒子的加速度 與在 中觀測到的加速度 之間有以下變換關(guān)系:
假定粒子的質(zhì)量是一個與運動無關(guān)的常量:,由加速度的變換關(guān)系可以得到:
由于參照系 是慣性系,牛頓運動定律在該參照系中成立:,因此:
我們看到,在參照系 中,牛頓運動定律不再成立。比通常的牛頓運動定律多出的一項 被稱為慣性力,用 表示。引入慣性力的概念后,在非慣性系中,粒子受力運動遵守以下規(guī)律:

形式上與慣性系中的牛頓運動定律相同。

慣性力并不是由粒子之間進行相互作用帶來的力,而是在非慣性系中的觀測者假想的力。引入了這個假想的慣性力之后,我們就可以在非慣性系中繼續(xù)使用牛頓運動定律來處理粒子之間的相互作用和運動的問題。當(dāng)我們在非慣性系中處理粒子的運動時,由相互作用帶來的力存在施力物體和受力物體,因而存在作用力和反作用力,而慣性力則不存在施力物體,也就不存在反作用力。

體驗慣性力最常見的環(huán)境是加速前進或減速剎車的汽車和加速啟動或減速停機的電梯,這兩個例子大家在中學(xué)時期就已經(jīng)熟悉,并且在日常生活中不斷會遇到,無需在這里多做描寫。我們來討論一個在日常生活中慣性力每時每刻都存在,但是我們卻從來不曾意識到的例子。

設(shè)想在地面上緯度為 的某處有一個質(zhì)量為 的靜止的粒子,這個粒子將受到地球?qū)λ娜f有引力,即地心吸引力,或者通俗地說是重力:
公式中 是引力常量, 是地球的半徑, 是地球的質(zhì)量, 是地球表面上的重力加速度, 是由地心指向粒子方向的單位矢量。另一方面,粒子隨地球自轉(zhuǎn)而繞著地球自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,在地心參照系中看,固聯(lián)于這個粒子的參照系有一個垂直地指向自轉(zhuǎn)軸的向心加速度,是一個非慣性參照系。在這個非慣性系上看,粒子將受到一個背離向心加速度的慣性離心力:
公式中 是地球自轉(zhuǎn)的角速度, 是在地球表面上粒子所在位置處沿經(jīng)線方向的切向單位矢量。由此得到,在地面實驗室 (非慣性系) 中測得的粒子的表觀重力:
這個表觀重力的數(shù)值就表現(xiàn)為實驗所測得的重量:
利用有關(guān)地球的一些基本數(shù)據(jù):
不難論證,慣性離心力的數(shù)值比重力的數(shù)值小得多:
于是,在重量的開平方根號內(nèi)的最后一項是一個二級小量,將其忽略;由于第二項是一個一級小量,因此,將根式做泰勒展開并只保留一級小量,表觀重力的數(shù)值近似為
表觀重力的方向與地心方向的偏角可以通過正弦定理近似地得到:
上述結(jié)果是考慮地球是一個純正的球體而得到的理論結(jié)果。實際上,由于自轉(zhuǎn)效應(yīng),地球并不是一個完美的球體,而是一個兩極扁平,赤道凸起的扁球體。由此帶來的修正結(jié)果是將重量的近似表達(dá)式中的 291 改為 191。

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