高中物理中对惯性参考系和加速参考系的一些探讨

摘 要：牛顿运动定律只在惯性参考系中有效。伽利略说过，一个不受任何力作用的物体具有恒定的速度。这种说法实际上是定义了一个惯性参考系。可是，我们如果不能事先确定某个参照物没有受到力的作用，就很难建立起把力和加速度联系起来的运动规律。我们需要有一个非加速的参考系，以便能够相对它来测量加速度。远离其他一切物体的一个物体，可以被认为实际上不受力的作用，因此，它没有加速度。宇宙中，一颗恒星距离它最近的别的恒星至少有1016m，因而可以料想它只有很小的加速度。于是，我们认为这些固定的恒星能够以很高的近似程度确定出一个方便的非加速参考系。

关键词：惯性参考系；加速度；地球；太阳；加速参考系；超速离心机

一个参考系，如果在其中对一个据信没有受到任何作用力和约束的粒子没有观察到加速度，那么它就被认为是一个惯性参考系。凡是相对惯性参考系做加速运动的参考系都是非惯性参考系，也叫做加速参考系。牛顿第一、第二定律只有在惯性参考系中作观察时才是成立的。这一点，从日常经验来看是显然的。如果观察者的参考系是静止在一个旋转木马上。那么，即使没有外力的作用，观察者在这个参考系中的加速度也不会是零。观察者只有顶住旋转木马的某个部分，按照牛顿第三定律该部分产生一个指向转轴的力Mrω2作用在观察者身上，观察者才能站稳在旋转木马的平台上。在这个力的表达式中，M是观察者身体的质量，r是观察者离转轴的距离，ω是角速度。另外，假设观察者的参考系静止在一辆加速启动的公共汽车上，那么，观察者会由于汽车加速而被紧压在座位的靠背上，只是多亏靠背给观察者一个作用力，观察者才能相对于汽车保持静止。

牛顿把静止或做匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系。牛顿确定惯性参考系的办法，是假定我们可以通过某种独立的途径去知道这个参考系是不受力的。但这是办不到的，因为没有作用力是根据没有加速度来判断的，这样我们又必须要有一个参考系，以便相对于它去测量加速度；如此等等，这就陷入了循环论证。笔者在教学过程中发现许多学生甚至一些教师对惯性参考系的认识都有此类困惑，因此，觉得颇有必要把某参考系是否可视为惯性参考系做一下探讨。

严格说来，判定一个特定的参考系是不是惯性系，这取决于观察者能以多大的精确度去探测出这个参考系的微小的加速度效应。高中物理中时常选择地球为参考系。一个固定在地球表面的实验室是否提供了一个很好的惯性参考系呢？

以上计算的结果表明，即使把地球自转和地球绕太阳公转的运动所产生的加速度都考虑进来，固定在地面上的实验室具有的加速度也是很小的，虽然它并不是在所有的问题中都可以完全忽略，但就许多应用来说，地球是惯性参考系的一个相当好的近似。大量的观察和实验表明，研究地球表面附近的许多现象，在相当高的实验精度内，地球是惯性参考系。

远离其他一切物体的一个物体，可以被认为实际上不受力的作用，因此它没有加速度，那么它就是一个惯性参考系。实际上，自然界并無孤立物体存在，所以也无完美的惯性参考系，总是在一定精度内视某参考系为惯性参考系。某参考系是否可视为惯性参考系，从根本上讲要根据观察和实验。

如果你愿意相对于一个惯性参考系去保持静止或匀速运动，并不需要有力作用。但是，如果你硬要在一个加速参考系中保持静止，你就一定得受到像旋转木马的一部分或座位靠背所施的那样一个力的作用。这些在加速参考系中自动出现的力在物理学上是十分重要的。不是在惯性参考系中时所出现的那些效应可以是大量的！而且，这些效应可以有很大的实用意义。有关这些效应的讨论，高中物理教材几乎没有涉及，因此笔者就以做圆周运动的加速参考系为例子进行探讨，希望有助于延伸高中学生的知识视野。

这就是说，超速离心机中的加速度几乎比重力加速度大400000倍。在超速离心机的小室中，那些悬浮分子由于其密度与周围液体的密度不同，将受到一个很强的力的作用，要把它们从液体中分离出来。如果它们的密度与液体的相同，就不会有分离效应。如果它们的密度比液体的小，使之分离的力是向里的。例如，在一辆沿环行道疾驰的汽车上，一个漂浮着的充氦气球将要朝环行道内侧运动。

这个表观的作用力（看起来是它把分子拉向实验小室的外侧）叫做离心（逃离中心）力。这个向外的运动由于周围液体对悬浮分子的拖曳而受到反抗。因为不同种类的分子各受到不同数值的离心力和不同的阻力，所以它们将以不同的速率在实验小室里向外运动。在超速离心机小室这个参考系中，离心力就像是向着外方向的人造重力，它的强度随着离轴距离的增加而增大。不同种类的各种分子在这个不寻常的“引力场”中最终都按照它们的密度依序排列成一系列层次。这样，超速离心机就提供了一种把不同种类的分子加以分离的非常好的方法。这种方法对于大分子特别有效，而它们往往正好是在生物学上极其重要的那些分子。由此可见，一个分子在加速参考系或惯性参考系中是否静止的问题，在生物学和医学的研究中是很有意义的。

参考文献：

[1] 漆安慎，杜婵英.普通物理学力学教程[M].北京：高等教育出版社，2001：57-58.

[2] 廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书物理1[M].济南：山东科学技术出版社，2011：13.

[3] 廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书物理2[M].济南：山东科学技术出版社，2011：73-74.

作者简介：李兴华，福建省漳州市，诏安县四都中学。