6.3惯性力概念与牛顿第三定律不矛盾
牛顿第三定律揭示的是物体间作用力与反作用力的关系,引入惯性力的概念之后,只不过是增加了对一种新的相互作用的认识,不应该与牛顿第三定律相矛盾。
7.给惯性力以正名
毫无疑问,我们现在所讨论的惯性力与前人所提到的惯性力是不同的。以往的很多教材,在引入了惯性力概念之后,通常要告诉学生惯性力是不存在的,是在非惯性系内为了使用牛顿运动定律,而人为的虚构的一个力,因为这个力不存在施力物体;在受力分析时,不能认为真的存在这样一种力。按照笔者重新定义的惯性力概念,以往引入惯性力的情况中,有的情况惯性力是不存在的,原因是物体虽然在非惯性系中,但物体本身没有加速度;有的情况惯性力真实存在,这时物体本身具有加速度。(下文中真实的惯性力,将使用黑体字)。论述如下:
前文提到的在加速运动火车是一个非惯性系,在其中研究小球的运动时,如果小球受到向前的拉力而相对于火车静止,它对惯性系有加速度,则必然受到向后的惯性力 。如果小球光滑且相对地面静止,对惯性系没有加速度,对火车有向后的加速度,则需要人为的虚构一个惯性力牛顿运动定律才能成立,这时小球本身不受到惯性力,这个惯性力是不存在的。
结论:研究非惯性系中的物体时,如果物体对惯性系真有加速度,它受到真实的惯性力。如果物体对惯性系没有加速度,则为了牛顿运动定律成立对物体人为虚构的惯性力是不存在的。
尽管非惯性系中研究物体动力学问题时,有时物体受到真实惯性力,有时惯性力并不存在,但对该参考系中所有物体均加上惯性力却是完全正确的。
我们知道惯性力是可以用测力计测量的(例如加速运动的升降机内物体的超重与失重现象中,完全能够测量到惯性力),与其它力没有两样,它和其它作用在物体上的力共同对物体起作用,产生动力学效果。博士论文,惯性。
事实上,在爱因斯坦的广义相对论中就已经证明:加速场和引力场具有高度的等效性,他曾经依据这种观点预言了光线在强引力场中的弯曲现象,并且被后来的实验所验证。他的理论认为,加速场可以等效为引力场,且在该“引力场”中物体所受的引力等于 ,a是加速场对惯性系的加速度, 就是惯性力,不过这里光线所受的惯性力是虚构的,并不存在。受此启发,我们承认对惯性系加速运动物体所受惯性力的存在,而在非惯性系中引入真实的或虚构的惯性力,对于学生理解物理学的概念和规律有百利而无一害。
8.惯性力概念的应用
在高中物理的很多章节,我们会遇到非惯性参照系中的动力学问题。如果确立了惯性力的客观存在性(一它有作用效果,二是可以测量),这些问题会变得非常简单易懂。博士论文,惯性。
[问题一]:升降机中的超重与失重问题的研究。
如果说,在升降机系统中(非惯性系)引入与之加速度a方向相反,大小为 的惯性力,然后按照平衡问题求解,则超失重问题就迎刃而解了。
[问题二]:转盘物体随之做匀速度圆周运动时所受的静摩擦力的方向问题。
欲分析静摩擦力的方向,需要知道转盘上物体随之做匀速度圆周运动时,相对于它的运动趋势的方向是沿半径向外的,这一点需要极限思维的方法进行分析论证,而且学生是很难接受的。如果建立了惯性力的概念,学生就会明白:物体所在的点是有指向圆心的加速度的,而它相对于该点静止不动,以这一点为参照物,物块是静止的;用牛顿定律解释,必然要加一个背离圆心的惯性力,这个力称为惯性离心力(可以认为惯性力就是物块受到的一个真实作用力),而物体“静止”在这一点,故转盘对它的静摩擦力必指向圆心。在此基础上再告诉学生,物块对转盘的运动趋势方向背离圆心向外,学生就容易接受了。
综上所述:我们可以得出以下结论:物体的惯性无大小之区别,所谓惯性大小,实际上是加速度相同时不同质量的物体所受惯性力的不同。惯性力是不以人们的意志而存在的,而承认这种存在,对理解物理规律,对于物理学科的教育与科研是有益而无害的。当然要知道宇宙为什么会对物体有惯性力的作用,这有待于进一步探究,但我们不能为此而否定惯性力的存在。
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