1正确理解惯性系和惯性力的概念.docx

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1、正确理解惯性系和惯性力的概念摘要：首先分析了惯性系在经典力学中的重要意义以及物理学家对于惯性系的困惑，然后说明在惯性系里测量不到惯性力，最后说明实验因素对于惯性系的能量和动量的影响忽略。关镇词：惯性系；惯性力：非惯性系：困惑：主要因素中图分类号：0313.1文献标识码：A1.惯性系在物理学中的重要性坐标系是科学常用辅助方法，常见有直线坐标系，平面直角坐标系。为了说明质点的位置、运动的快慢、方向等，必须选取其坐标系。在参照系中，为确定空间一点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据，这就叫做“坐标”。在某一问题中规定坐标的方法，就是该问题所用的坐标系。坐标系的种类很多，常用的坐标系有：笛卡尔直角

2、坐标系、平面极坐标系、柱面坐标系（或称柱坐标系）和球面坐标系（或称球坐标系）等。物理学中常用的坐标系为直角坐标系，或称为正交坐标系。坐标原点、坐标轴及数量、坐标轴间的夹角、坐标轴上的刻度（间距）、坐标轴的方向等。除平面、柱面和球面坐标系外，一般的直角坐标系的坐标轴均为三个：X、Y、Z轴，坐标轴上的刻度（间距）是相同的，不因其所处空间的性质（真空或介质）及万有引力场及电磁场强度及方向的不同或是否存在而改变；同时，每个坐标轴的长度是无限的，也就是每个坐标系是可以用于同时描述宇宙中的所有事物的。时间一般是利用某一特定的、有规律地变化的事物在坐标系中的空间位置变化量来表达的。如：地球时就是利用地球相对

3、太阳自转一周所需持续的时间来定义为24小时的。也就是说：时间也是坐标系的基本参数之一。坐标系可以表达某一特定时刻的不同客观事物所处的空间位置信息，也可以表达某一特定客观事物在不同时刻所处的空间位置信息。但时间本身不会影响坐标系中的任何基本参数与基本特性。在研究不同事物的运动与变化规律时，可以选择不同的坐标系，这样做的好处时，可以抓住主要矛盾、简化研究过程的难度与工作量。如：在研究地面小范围内的事物运动规律时，可选择地面水平面内与事物运动方向一致的水平切线作为X轴、其垂直方向作为Y轴、垂直水平面向上的法线方向作为Z轴，坐标原点选定为事物起始时刻所在的位置。而要研究地球附近主要由地球重力主宰的事物

4、的运动规律时，就可以选择以太阳中心与地球中心连线作为X轴、沿地球绕太阳公转运动的切线方向为Y轴、以X、Y轴构成的平面的法线方向为Z轴，坐标原点选定为地球中心点。研究地球在太阳系中的运动规律时，可以选择太阳中心点与银河系中心点的连线作为X轴、太阳绕银河系运动的切线方向作为Y轴、，依此类推。以上所选择的坐标系就是所谓的参照系。参照系的基本参数与属性与坐标系完全相同。只是在参照系选定后，就不能随意更改。北师大漆安慎教授主编的力学，对科学家们实际采用的“惯性系”，进行了非常全面的归纳：“某参考系是否可视为惯性系，从根本上讲要根据观察和实验。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

5、验精度内，地球是惯性系。讨论人造地球卫星运动时，常选择以地心为原点，坐标轴指向恒星的地心-恒星坐标系，这是比地球精确的惯性系。在研究行星等星体的运动时，可选择以太阳中心为坐标原点，坐标轴指向其他恒星的日心-恒星坐标系，这是更精确些的惯性系。”找不到精确意义下的“惯性系”，这无可厚非，因为“惯性系”就是一种抽象出来的“理想模型”，它虽然不是真实的存在，但是用“理想模型”来解决物理学问题却非常实用、非常有效。数学通常相对理想化,而现实世界通常是非理想化的，自然现象通常是非理想化的，所以物理现象和化学现象通常也是非理想化的，所以用理想化的数学描述现实世界通常都存在问题，甚至很多情况下存在明显问题。用

6、理想化的数学描述自然现象通常都存在问题，甚至一些情况下存在明显问题。所以用理想化的数学描述实际的自然规律（物理规律和化学规律等）通常都存在问题，甚至一些情况下存在明显问题。正如普利高津曾经讲过：“物理学并不是自然界本身，而是人类与自然界的对话刻画运动时必不可少的因素或概念是参考系或参照框架，以及时间量和空间量，因为要定量化地描述物体的运动状态，参考系是不可缺少的，即当我们说运动状态是怎样时，首先要说以哪一个参考系为基准，否则一切就无从谈起。所以说参考系是重要的，即是说基准是重要的。规律的成立是与参考系的设定相关的。力学方程的形式同样与参考系的选取有关。即是说参考系的设定或参考系的性质是力学体系

7、的基础。另外，对于运动定量化的描述同时要求精确的测量，而对于运动的描述，时间、空间量则是最基础的量，因为描述物体运动状态的最基础的运动方程即是关于空间（位置）、时间的方程（函数）。在对运动的描述的基础上，进而致力于去把握物体运动状态的变化相关的规律，即动力学方程。应当说，参考系与时间、空间的问题是两个基础问题并且是紧密关联的问题，对两者的认识则是理解相对性运动问题，甚至是一切运动问题的基础。规律的形式是由参考系的性质决定的，参考系的等价性，意味着规律形式的不变性，这就是相对性原理的最基本设定。当然这仅仅是一种抽象的所指，科学理论要由具体的概念组成。因为规律形式的不变性所指的规律在不同时期可能并

8、不相同，所涉及参考系之间的参数变换形式也会改变，所以要理解相对性原理在不同时期的意义，需要结合具体的概念。1955年4月3日美国著名的科学史家LB.科恩，对爱因斯坦进行了一次采访，据科恩报道：“爱因斯坦说他永远钦佩牛顿牛顿所写过的每样东西都活在后来的物理科学著作中爱因斯坦说，回顾牛顿的全部思想，他认为牛顿的最伟大成就是他认识到特选参考系（PriViIegedSyStenlS）的作用。他十分强调地把这句话重复了几遍。我觉得这是有点令人困惑的，因为今天我们都相信，并没有什么特选系，而只有惯性系由于爱因斯坦自己的工作，我们不再（像牛顿那样）相信绝对空间和绝对时间概念，也不再相信有一个对于绝对空间是静

9、止的或者是运动的特选系。”科恩的这些困惑，当然很容易被我们理解一一“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上”，大家普遍相信，没有什么特选参考系，而只有惯性系。2 .牛顿对于相对性原理的处理一般认为伽利略相对性原理在牛顿那里变成了一个推论，或者说牛顿在处理相对性运动问题时并没有设定相对性原理，即相对性原理并不是牛顿力学的基本原理之一，而是其中一个推论，即著名的第五推论。那么如何理解这一处理方式？或者说为什么牛顿能够把这样相对性原理处理为推论？牛顿在原理给出其展开体系之前的一系列定义之后，在随后的附注里给出了其对绝对时间、空间与相对时间、空间、绝对运动与相对运动的理解（解释）。牛顿认为“绝对空

10、间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。”在他看来“相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是对绝对空间的量度，我们通过它与物体的相对位置感知它”。在牛顿的观念里绝对空间类似于一种无限大的“容器”，物体可以在其中运动，而绝对空间的性质并不受到在其中的事物的影响。这样一种空间的概念对于一切事物具有特殊性，是一种特殊性的存在，或者说从其中我们可以看到绝对空间在其体系中的特殊性。另外，牛顿认为绝对量是不能直接测量的，无论是绝对空间，还是绝对时间，但相对量在某种意义上是可以测量的，或者说实际的测量只能是对相对量的测量。而“通过测量相对量并应用他的运动定律，他希望达到自己真正的目的：认

11、识物体的绝对运动及其原因。”应当指出，牛顿设定绝对空间概念的一个重要原因是其要为惯性定律寻找一个依据或一种理解方式。前面已经提及，对运动状态及其变化进行（定量化的）描述，潜在地要求一个基准，即参考系。当牛顿第一定律说物体在没有受到力的作用会保持静止或匀速直线运动时，其在某种程度上潜在地设定了参考系的标准,或者说其成立是对于参考系的选择是有要求的。（即当我们说物体运动状态改变时，背后已经有参照系了，因为对物体的运动状态的描述一定要以某一参照系为准。）那么在牛顿的体系里，牛顿第一定律成立的基础是什么呢？即当牛顿第一定律设定“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那

12、个状态”时，其参考的对象是什么？牛顿把绝对空间作为参考对象，即绝对空间在其体系中是一个绝对参照者，基本定律的成立是相对于它而言的。另外，应当指出，惯性定律的思想与相对性原理的思想是相互交织的，这一点或许可以这样理解，即当伽利略预设运动作为运动而言，并作为运动在起作用，只是对没有这种运动的物体才存在时以及在所有具有相等运动的物体中间，运动是不起作用的，而且看去就仿佛不存在似的时，已经要求这样一种共同具有的运动是具有保持性的。而这一点与惯性定律的思想有共同之处，因为惯性定律的一个关键点恰恰是说物体的运动具有这一特性，即保持性。牛顿本人对相对性原理的处理在不同时期是不同的，据阎康年在牛顿的科学发现和

13、科学思想一书中所讲，牛顿在其早期的研究论文中把其在原理中作为推论给出的相对性原理处理为基本定律，如“他在1684年10-11月在论球体在流体中的运动一文手稿中，曾经把它列为运动五定律的第三定律。”而且在稍后的论物体在均匀的可变形介质中的运动中也把它处理为一个基本定律。但在原理中把其作为一个推论给出，即第五推论。他的观点是如何产生变化的，这里无从知晓。但这里将给出自己对牛顿把相对性原理处理成推论的理解。第五推论的内容是这样的：“一个给定的空间，不论它是静止，或是作不含圆周运动的匀速直线运动，它所包含的物体自身之间的运动不受影响。”并且牛顿在推论下面用碰撞的理论给出了说明。在他看来系统整体具有的匀

14、速宜线运动并不影响其内部的现象，因为对于碰撞的物体来说，在这两种情形下它们之间的方向相同的运动的差，与方向相反的运动的和，在两种情形下相等，因而会有相同的碰撞效果。这一点可以这样来理解,即影响碰撞效果的是两物体的相对速度而不是绝对速度。因而，物体所在空间整体的运动状态不影响其内部物体的运动。可以看到，牛顿在这里给出的说明与上述惠更斯在碰撞研究中给出的观点基本相同。那么，如何理解牛顿的这一处理方式呢？牛顿设定绝对空间作为其体系的绝对参考者，即力学基本定律是以绝对空间为基础的。因而对于相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系（牛顿称为有限的固定空间）而言，它们之间的等价性不必以相对性原理来保证。

15、这一点或许可以这样理解，即当我们只有两个参考系时，基于对称性，相对性原理是重要的，即参考系的等价性由相对性原理保证。但由于绝对参照者的存在，参考系不是两个，而是三个，因而只有绝对空间是特殊的，相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系的等价性由绝对参照者来保证。即是说因为绝对空间的设定，绝对运动就是存在的，进而更基础的参照系是存在的，或者说如此一来更多的参照系变成了普通的参照系，所有的参考系都是相对绝对参照者（即绝对空间）而言的，参考系之间的差别只是相对速度的差别。或者说相对性原理的成立仅仅被看作经验性的假设时，必然不能降低相对性原理的地位，因为似乎没有更深层次（高）的理由（原理）把其推出来。

16、只有当我们能在两个参考系中找到一更基础的标准时，或者说当两个参考系有共同的基准时，它们在理论中的地位就可以降低。而在牛顿的体系中绝对空间正是这一更基础标准的承担者。这样一来，所有相对于这样的参考系静止或作匀速直线运动的参考系同样具有相似的地位或性质，它们之间的差别体现在运动常数或积分常数上（或称为初始速度或初始状态）。那么相对性原理，即物理规律在各个参考系都相同，就不具有特殊的地位了，因为在本质上只有一个规律，参考系之间的变换问题只是方程上的常数问题，并不涉及加速度（或力）（即牛顿第二定理）的问题。所以相对性原理在牛顿这里变成了一个推论。当然，这一推理并没有在牛顿的著作里证实，牛顿似乎并没有直接说第五推论是建立在绝对空间基础上的。在此基础上不同参考系之间的参数变换即为经典物理学中伽利略变换，这是经典物理学的一重要结论。当然，应当指出牛顿并没有给出不同参考系之间的参量变换关系，这些结论是由后来者推出的。伽利略没有关于相对性原理的系统表述，其思想（结论）更侧重是基于细致观察上的推广