惯性系和非惯性系

惯性系和非惯性系

惯性系和非惯性系描写物体的运动，可以考虑研究问题的方便，而任意选择参考系．一个乘客在加速的火车车厢里行走，描述他的运动，可以用地面作参考系，也可以用车厢作参考系．但是，确定运动和力的关系的牛顿运动定律，却不是对任何参考系都成立的．

我们生活在地球上，通常是相对于地面参考系来研究物体运动的．伽利略的理想实验以及我们前面做过的研究运动和力的关系的实验，都是用地面作参考系的．在地面上所做的许多观察和实验表明，牛顿运动定律对地面参考系是成立的．

除了地面参考系，牛顿运动定律还对什么参考系成立呢？1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：

“……船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比向另一方向用更多的力．你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同．当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象

丝毫没有变化．你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动……”

伽利略的这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测，与地面上的力学实验和观测，结果并没有差异．这就是说，以相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考系，牛顿运动定律也是成立的．

在相对于地面做变速运动的参考系中，牛顿运动定律是否成立呢？先设想有一辆做匀速直线运动的车厢，在车厢里的桌面上放一个小球．相对于车厢参考系来说，小球保持静止，小球所受的合外力为零，符合牛顿运动定律．现在设想车厢开始向右做加速运动，在车厢里观测，小球将向左做加速运动（图3-18），而小球并没有受到其他物体的作用力，所受的合力仍为零．这说明；在相对于地面做变速运动的车厢里，牛顿运动定律不再成立．

牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系．牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系．研究地面上

物体的运动，地面参考系通常可认为是惯性系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性系．研究行星的公转时，太阳参考系可认为是惯性系．在本书中，我们一般都以惯性系作为参考系．

非惯性系和惯性力牛顿运动定律在非惯性系中不成立，可是，有时要在非惯性系中处理问题．例如研究大气和海水流动这类大范围的运动，要考虑地球自转的影响，这时地面参考系不能认为是惯性系，而是非惯性系．人们生活在地球上，用地面参考系比较习惯．怎样解决这类问题？如果引入“惯性力”的概念，在形式上，却可以使牛顿运动定律在非惯性系中成立，这样就可以在非惯性中方便地处理问题了．

在图3-18中，以车厢作参考系，小球以大小为a的加速度向左运动，我们可以认为小球受到一个水平向左的力F，在这个力的作用下，使小球产生水平向左的加速度a．这个力F叫做惯性力．在高中地理课本“沿地表水平运动物体的偏移”中提到的“地转偏向力”，也是一种惯性力，它是因地球自转而引起的．跟通常意义下的“真实的”力不同，惯性力是形式上引入的“假想的”力．“真实的”力有施力物体，惯性力没有施力物体．在以加速度a相对于某一惯性系做加速运动的非惯性系中，所有物体除了受到“真实的”力，还受到惯性力F，它的大小为ma，方向与非惯性系的加速度的方向相反，即