02-04非惯性系和惯性力课件.ppt

1、2-4 惯性系和力学相对性原理惯性系和力学相对性原理非惯性系和惯性力非惯性系和惯性力l物理学家相信物理定律是对自然规律的客观描述，物理学家相信物理定律是对自然规律的客观描述，是与观测者无关的客观实在是与观测者无关的客观实在相对性原理相对性原理基本的物理定律不能因为观测者基本的物理定律不能因为观测者选择的参考系不同而发生改变选择的参考系不同而发生改变l因为在不同参考系中对同一个物体运动的描述不同，因为在不同参考系中对同一个物体运动的描述不同，需要通过参考系间的坐标变换，把在一个参考系里的需要通过参考系间的坐标变换，把在一个参考系里的运动描述变换为另一个参考系里的运动描述运动描述变换为另一个参考系

2、里的运动描述通过这种参考系间的坐标变换会不会也通过这种参考系间的坐标变换会不会也同时改变了物理定律的基本形式呢？同时改变了物理定律的基本形式呢？SyzOxOS x y zPOPrOOrPOr伽利略变换伽利略变换位矢的位矢的相对性相对性OOOPPOrrr速度的速度的相对性相对性OOOPPOvvv如果如果S 系系相对于相对于S系作匀速直线运动系作匀速直线运动牵连速度牵连速度O Ov恒恒量量加速度的加速度的相对性相对性POPOO OaaaPOPOaa在相对做匀速直线运动在相对做匀速直线运动的参考系中，观察同一的参考系中，观察同一个质点的加速度相同个质点的加速度相同O OvSyzOxOS x y zl

3、在伽利略变换的条件下，在在伽利略变换的条件下，在相对做匀速直线运动的参考相对做匀速直线运动的参考系中，加速度是不变量系中，加速度是不变量l经典力学条件下质点的质量经典力学条件下质点的质量m是不变量，在不同的参考是不变量，在不同的参考系中质量相同系中质量相同如果如果S系是惯性系，牛顿定律在系是惯性系，牛顿定律在S系中成立系中成立l经典力学中的力经典力学中的力F 也是不变量，与参考系无关也是不变量，与参考系无关amF因为在因为在S 系中系中F、m和和a都没有改变，同样有都没有改变，同样有牛顿定律的形式在牛顿定律的形式在S系和系和S 系中完全相同，所以系中完全相同，所以S 系系也是一个惯性系也是一个

4、惯性系amF结论：结论：l相对于惯性系做匀速直线运动的任何参考系也都相对于惯性系做匀速直线运动的任何参考系也都是惯性系是惯性系牛顿定律是一切力学规律的基础，可以推知在伽牛顿定律是一切力学规律的基础，可以推知在伽利略变换下，对所有惯性系，力学规律都有相同利略变换下，对所有惯性系，力学规律都有相同的形式的形式一切惯性系在力学上都是等价的一切惯性系在力学上都是等价的l在伽利略变换条件下，相对于任何惯性系，牛顿在伽利略变换条件下，相对于任何惯性系，牛顿定律定律 的形式都是相同的，所以相对于任的形式都是相同的，所以相对于任何惯性系牛顿定律都成立何惯性系牛顿定律都成立amF等价不是指不同惯性系看到的力学现

5、象相等价不是指不同惯性系看到的力学现象相同，而是指力学现象遵循的力学规律相同同，而是指力学现象遵循的力学规律相同 所有的所有的惯性系对惯性系对力学规律来说都是力学规律来说都是等价等价的，不的，不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系力学的相对性原理：力学的相对性原理：l凡相对于惯性参考系做匀速直线运动的任何其它参凡相对于惯性参考系做匀速直线运动的任何其它参考系都是惯性参考系，牛顿定律只在惯性系中成立考系都是惯性参考系，牛顿定律只在惯性系中成立l凡相对于惯性系作加速运动的参考系必定是非惯性凡相对于惯性系作加速运动的参考系必定是非惯性系，牛顿定律在非惯性系

6、中是不成立的系，牛顿定律在非惯性系中是不成立的人能够感觉加速度，但对人能够感觉加速度，但对速度没有反应，一些刺激速度没有反应，一些刺激的游乐项目就在于使游客的游乐项目就在于使游客经历速度的迅速变化。从经历速度的迅速变化。从惯性系中是很难描述身处惯性系中是很难描述身处过山车中的人的真实感受过山车中的人的真实感受如何在非惯性系里处理动力学问题？如何在非惯性系里处理动力学问题？思路一：思路一：在惯性系中用牛顿定律研究物体的运动在惯性系中用牛顿定律研究物体的运动用相对运动的变换公式把它变换到非惯性系中用相对运动的变换公式把它变换到非惯性系中思路二：思路二：引进适当的虚拟力（惯性力），直接在非惯引进适当

7、的虚拟力（惯性力），直接在非惯性系中用牛顿定律求解物体的运动性系中用牛顿定律求解物体的运动相对于惯性系做直线加速相对于惯性系做直线加速相对于惯性系转动相对于惯性系转动平动加速系平动加速系转动参考系转动参考系相对于惯性系作加速运动的参考系一定是非惯性系相对于惯性系作加速运动的参考系一定是非惯性系SyzOxOS x y z0aSyzOxOS x y z一一 平动平动加速系和加速系和平移惯性力平移惯性力地面上的观察者地面上的观察者车上的观察者车上的观察者m0a小球受到小球受到的作用力的作用力FF小球的小球的加速度加速度0a 0a0FmaamF动力学动力学关系关系Fl车上的观察者看到车车上的观察者看到

8、车上保持静止的小球受上保持静止的小球受到弹簧对小球水平向到弹簧对小球水平向右的作用力，右的作用力，违反了违反了牛顿运动定律牛顿运动定律m0aFiFl为了让车上的人也能从形式上用牛顿定律解释物体为了让车上的人也能从形式上用牛顿定律解释物体的运动，可以让车上的人设想该小球除了受到真实的运动，可以让车上的人设想该小球除了受到真实力力 以外，还同时以外，还同时受到一个虚拟力受到一个虚拟力 的作用的作用，小球，小球就在两个力的作用下保持静止就在两个力的作用下保持静止FiF0iFFma 平移惯性力平移惯性力SyzOxOS x y z0a在平动加速系中，需要引入一个在平动加速系中，需要引入一个虚拟的平移惯性

9、力虚拟的平移惯性力，在真实力和，在真实力和虚拟的平移惯性力的作用下，物虚拟的平移惯性力的作用下，物体的运动仍然满足牛顿运动定律体的运动仍然满足牛顿运动定律真实力真实力平动加速系平动加速系中的加速度中的加速度平移惯平移惯性力性力平移惯性力平移惯性力与物体所处位置及其运动状态无关，它的与物体所处位置及其运动状态无关，它的大小等于物体的质量与平动加速系相对于惯性系的加大小等于物体的质量与平动加速系相对于惯性系的加速度的乘积速度的乘积ma0，方向与平动加速系的加速度方向，方向与平动加速系的加速度方向相反相反0iFma amFFi当汽车急刹车时，汽车具有与当汽车急刹车时，汽车具有与前进方向相反的加速度，

10、汽车前进方向相反的加速度，汽车里的人就处于一个相对于地面里的人就处于一个相对于地面的平动加速系里，这时候汽车的平动加速系里，这时候汽车里人的会感觉受到一个向前的里人的会感觉受到一个向前的作用力，这个作用力就是平移作用力，这个作用力就是平移惯性力，为了使人不致于飞出惯性力，为了使人不致于飞出去，需要在人身上加装安全带去，需要在人身上加装安全带平移惯性力有施力物体吗？平移惯性力有施力物体吗？l 真实力是实际存在的力，是物体之间的相互作用，真实力是实际存在的力，是物体之间的相互作用，无论在惯性系还是在非惯性系中都存在无论在惯性系还是在非惯性系中都存在l 惯性力只有在非惯性系中才有意义，它不是物体之惯

11、性力只有在非惯性系中才有意义，它不是物体之间的相互作用，没有施力物体，也不存在反作用力间的相互作用，没有施力物体，也不存在反作用力惯性力是惯性力是“虚拟力虚拟力”l 惯性力在非惯性系中可以用测力器测量，人们在惯性力在非惯性系中可以用测力器测量，人们在非惯性系中也能感受或观察到它的作用效果非惯性系中也能感受或观察到它的作用效果惯性力像惯性力像“真实力真实力”0iFma 讨论：讨论：加速度表加速度表利用物体在加速运动时作用在物体上的惯性力来利用物体在加速运动时作用在物体上的惯性力来确定运动物体加速度确定运动物体加速度惯性引信是利用惯性力来引爆炮弹，当弹体撞击目标惯性引信是利用惯性力来引爆炮弹，当弹

12、体撞击目标后，弹体获得加速度，使击针在惯性力的作用下与雷后，弹体获得加速度，使击针在惯性力的作用下与雷管相撞，引起炮弹爆炸管相撞，引起炮弹爆炸虚拟力虚拟力ROzFm二二 匀速转动系和惯性离心匀速转动系和惯性离心力力地面上的观察者观察到弹簧的地面上的观察者观察到弹簧的拉力提供物体做匀速圆周运动拉力提供物体做匀速圆周运动的向心力的向心力FS2nFmamr 转动参考系上的观察者到物体虽然受到转动参考系上的观察者到物体虽然受到弹簧的拉力却弹簧的拉力却保持静止不动保持静止不动0iFF0a 为了在匀速转动系中使用牛顿定律为了在匀速转动系中使用牛顿定律惯性离心力惯性离心力2iFFmr 一小球在匀速转动系相对

13、静止一小球在匀速转动系相对静止l惯性离心力方向惯性离心力方向沿圆的半径向外沿圆的半径向外讨论：讨论：ROzFm2inFmamr l惯性离心力的大小惯性离心力的大小等于物体的质量与该物等于物体的质量与该物体在转动参考系中的向心加速度体在转动参考系中的向心加速度an的乘积的乘积物体在参考系中的位置不同，对应的物体在参考系中的位置不同，对应的an不同，所以不同，所以惯性离心力既和转动参考系的转速有关，又和物体惯性离心力既和转动参考系的转速有关，又和物体在转动参考系中的位置有关在转动参考系中的位置有关当我们乘坐汽车拐弯时当我们乘坐汽车拐弯时感到向轨道外侧倾倒的感到向轨道外侧倾倒的“力力”就是惯性离心就

14、是惯性离心力力不仅仅是汽车上的乘客才能感受到惯性离心力。设计不仅仅是汽车上的乘客才能感受到惯性离心力。设计电脑磁盘的工程师也必须考虑到在高速旋转的情况下电脑磁盘的工程师也必须考虑到在高速旋转的情况下磁盘上所受的力。如果磁盘不能承受强力的作用，很磁盘上所受的力。如果磁盘不能承受强力的作用，很可能在运转时磁盘就会发生毁坏可能在运转时磁盘就会发生毁坏为了提高磁头的读写效率为了提高磁头的读写效率,大部大部分计算机的硬盘旋转可达分计算机的硬盘旋转可达3600-7200转转/min，更高的可达，更高的可达15000转转/min以上。硬盘必须结实到足以上。硬盘必须结实到足够承受这么高的运行速度，因此够承受这

15、么高的运行速度，因此硬盘通常是由轻便但坚固的材质硬盘通常是由轻便但坚固的材质制造制造比如铝比如铝这就是为什这就是为什么被称为么被称为“硬硬”盘的原因盘的原因像软盘这样可更换磁盘一般都轻巧便携而且价格低像软盘这样可更换磁盘一般都轻巧便携而且价格低廉，但软盘却经受不住高速的旋转廉，但软盘却经受不住高速的旋转它们只能做它们只能做到到360转转/min这意味着在使用软盘读写的时候将这意味着在使用软盘读写的时候将要花更多的时间要花更多的时间l当战斗机做俯冲运动时，飞行员体内的血液在惯性当战斗机做俯冲运动时，飞行员体内的血液在惯性离心力的作用下瞬间冲向大脑，这时候飞行员会因离心力的作用下瞬间冲向大脑，这时

16、候飞行员会因为脑充血而出现为脑充血而出现“红视红视”现象（视场变红）现象（视场变红）l当战斗机做爬升运动时，飞行员飞行员体内的血液当战斗机做爬升运动时，飞行员飞行员体内的血液在惯性离心力的作用下瞬间冲向四肢，这时候飞行在惯性离心力的作用下瞬间冲向四肢，这时候飞行员会因为脑缺血而出现员会因为脑缺血而出现“黑晕黑晕”现象（眼睛失明）现象（眼睛失明）飞行员的加速度问题飞行员的加速度问题飞行员必须穿上一种飞行员必须穿上一种G服，把身躯和四肢肌肉缠得紧服，把身躯和四肢肌肉缠得紧紧的，使全身血液流动不畅，紧的，使全身血液流动不畅，它的作用就是通过阻它的作用就是通过阻碍血液的流动来达到缓解碍血液的流动来达到

17、缓解“红视红视”和和“黑晕黑晕”的目的目的的三三 科里奥利力科里奥利力如果物体在匀速转动系还存在相对运动的话，那么如果物体在匀速转动系还存在相对运动的话，那么在该参照系的观察者看来，物体除了受到惯性离心在该参照系的观察者看来，物体除了受到惯性离心力的作用外，还受到另一惯性力力的作用外，还受到另一惯性力2cFmv科里奥利力科里奥利力l科里奥利力与物体在转动参考系中的相对速度成正科里奥利力与物体在转动参考系中的相对速度成正比，所以只有比，所以只有当物体相对转动参考系运动当物体相对转动参考系运动时，科氏时，科氏力才会出现力才会出现l科里奥利力与转动参考系角速度的一次方成正比，科里奥利力与转动参考系角

18、速度的一次方成正比，所以所以当角速度较小当角速度较小时，科氏力比离心力更重要时，科氏力比离心力更重要2cFmv讨论：讨论：l科里奥利力的方向总是与相对速度垂直科里奥利力的方向总是与相对速度垂直，所以科氏，所以科氏力不改变物体在转动参考系中相对速度的大小，只力不改变物体在转动参考系中相对速度的大小，只是不断改变是不断改变 的方向。当的方向。当 向上时，力指向相对运向上时，力指向相对运动的右方动的右方;向下时，指向相对运动的左方，使物向下时，指向相对运动的左方，使物体轨迹弯曲而呈现圆弧形体轨迹弯曲而呈现圆弧形v由于科里奥利力的作用，在地球的北半球上，无论由于科里奥利力的作用，在地球的北半球上，无论

19、物体向哪个方向运动，科氏力的方向都指向物体行物体向哪个方向运动，科氏力的方向都指向物体行进方向的右侧；在地球的南半球上，科氏力的方向进方向的右侧；在地球的南半球上，科氏力的方向都指向物体行进方向的左侧；而自由落体向东偏斜都指向物体行进方向的左侧；而自由落体向东偏斜由于科里奥利力的作用，导由于科里奥利力的作用，导致旋风的形成，赤道附近出致旋风的形成，赤道附近出现信风，北半球河流的右岸现信风，北半球河流的右岸被冲刷得比较严重，而火车被冲刷得比较严重，而火车铁轨的右侧磨损比较严重铁轨的右侧磨损比较严重在进行远距离炮击时，同样需要科氏力的方向对在进行远距离炮击时，同样需要科氏力的方向对炮击点进行精确的修正，而且这种修正的方向会炮击点进行精确的修正，而且这种修正的方向会因为在北半球或者南半球而相反因为在北半球或者南半球而相反