我們的物理課本中,在學習牛頓經典力學的時候,經常存在這樣一種形式,只有在宏觀,低速的慣性系中,我們的牛頓運動定律才成立。一般課本中都體現了慣性系的「優越性」,如果不是物理專業,我們的非慣性系都是不做考慮的。因為如果引入非慣性系就要考慮更多的東西(其實有些定律或者定理在非慣性系下也成立的);相當於把內容簡化了。
下面我們就用牛頓運動定律來揭開慣性系與非慣性系的區別:
如牛頓第一定律:孤立質點保持靜止或做勻速直線運動;
以上微分方程顯示物體加速度為0,也就是物體所受合外力為0的情形下(這樣的性質也稱為慣性定律或惰性定律)。
牛頓第二定律:動量為P的質點,在外力F的作用下,其動量隨時間的變化率同該質點所受的外力成正比,並與外力的方向相同;用公式表達為:
進行微分求解得:
一般低速條件下我們認定dM/dT為0,也就是運動過程中質量是不變的(這也決定了牛頓經典力學在量子領域高速不適用的問題)。簡化得:
至於第三定律我們不講了,第三定律其實在非慣性系中也成立。
我們看到我們的第一第二定律的式子中都存在一個矢量v,也就是我們的速度。我們的速度是怎麼定義的:
它表示物體運動快慢的物理量。
在表示物體速度大小的時候,我們都存在選一個參考系來作考證。這個參考系可以是慣性系,也可以是非慣性系。那麼這個就不得不先來說一下這兩個的區別了。
簡單點說,一般相對一個慣性系靜止或作勻速直線運動的就屬於慣性系,反之,不是這兩種情況的就屬於非慣性系。是不是有點拗口,打個比方:比如把地面看作慣性系(實際上地面並不是精確的慣性系),相對地面靜止的、和做勻速直線運動的都可以稱之為慣性系;其他的比如相對於地面做曲線運動、加速運動、減速運動等物體加速度a不為0的都算是非慣性系。所以這下大家都應該明白了吧!這樣一來物理物體的運動和靜止以及運動形式都相對參考系而言的。
如果將「動力學」轉化為「靜力學」,非慣性系中除了外力還要引入牽連慣性力與科氏慣性力,這兩個力不服從常規力的定義。
最後和大家開個玩笑,既然光速不變原理適用於任何參考系。如果以光子為參照物,我們實物就是以光速運動了,為什麼不存在愛因斯坦相對論中類似「尺短鍾慢」等時空現象,歡迎大家留言討論!