資源描述:
《慣性與慣性系》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、慣性與慣性系摘要:對于地球來說,慣性系就是圍繞地球分布的一系列同心球面,在同一個(gè)球面上的所有點(diǎn),其引力勢都相等。只有靜止或沿著等勢面作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,才能看作不受外力的作用。關(guān)鍵詞:慣性系、等勢面、慣性定律早在古希臘時(shí)期,亞里士多德就建立起了自然主義的宇宙體系,大地是球形的,地球是宇宙的中心,這是第一個(gè)沒有上下區(qū)分,空間各方等價(jià)的參照系。他認(rèn)為,一切物體都有達(dá)到它天然位置的傾向,重物要向地心運(yùn)動(dòng),天上的物體,如太陽、月亮、星星等都處于它們天然位置上作完美的圓周運(yùn)動(dòng),表明了認(rèn)識(shí)到自然界物體位置和空間存在有某種最佳分布狀態(tài),這是承認(rèn)絕對參照系存在的思想
2、萌芽。伽利略提出的相對性原理表明,凡是相對于某一慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系都是慣性系,不可能判明哪一個(gè)慣性系是處于絕對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或絕對靜止?fàn)顟B(tài),每個(gè)慣性系就是一個(gè)特定的無限延伸的空間。所以伽利略相對性原理實(shí)質(zhì)上是提出了一個(gè)無限延伸的平直空間體系,在這個(gè)空間中,沒有特殊的點(diǎn)和特殊點(diǎn)方向,選擇任何一點(diǎn)作為參照系原點(diǎn)都是等價(jià)的,不影響物理定律的性質(zhì)。指出了在慣性運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)是不存在絕對空間和絕對運(yùn)動(dòng)的。牛頓在創(chuàng)立他的經(jīng)典力學(xué)時(shí)引進(jìn)了絕對空間和絕對時(shí)間作為有效參照系,牛頓的時(shí)空是完全脫離物質(zhì)獨(dú)立存在的,他的絕對空間是一個(gè)歐幾里德無限空間,它是均勻的各向同性的,是
3、一個(gè)沒有邊界的大容器,宇宙間的所有物體通過萬有引力分散懸放在這個(gè)大容器內(nèi)。但是,牛頓引進(jìn)的空間同伽利略的空間是有區(qū)別的,枷利略的空間里不存在絕對參照系,而在牛頓的空間里卻存在一個(gè)絕對參照系。相對這個(gè)參照系的空間是絕對空間,相對這個(gè)參照系的運(yùn)動(dòng)就是絕對運(yùn)動(dòng)。由于把物體的運(yùn)動(dòng)同空間的性質(zhì)看成毫無關(guān)系,所以,牛頓最終也沒有找到絕對參照系的起始原點(diǎn)。因?yàn)?,對于一個(gè)無限的平直空間來說,所有的點(diǎn)都是等價(jià)的,不可能找到一個(gè)特殊的坐標(biāo)原點(diǎn)。只有在以引力中心為原點(diǎn)的球面坐標(biāo)系里,才會(huì)有一個(gè)特殊的坐標(biāo)系存在。牛頓在《自然哲學(xué)和數(shù)學(xué)原理》一書中是這樣來描述慣性定律的:“外力
4、是施加于某物借以改變其現(xiàn)狀的一種作用,無論該現(xiàn)狀是靜止的或勻速直線運(yùn)動(dòng)的”,①也就是通常所說的:“物體在不受外力作用時(shí)保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。”牛頓的慣性定律必須在平直的空間內(nèi)才能成立。因?yàn)橹挥性谄街笨臻g里,物體在不受外力的作用下,才可以一直沿著直線作勻速運(yùn)動(dòng)維持到無窮遠(yuǎn)處。問題就出在牛頓所要求的脫離物質(zhì)作用的絕對空間實(shí)際上是不存在的,空間的特性總是同物質(zhì)作用聯(lián)系著的,只有在物質(zhì)的相互作用之中才能顯示出來。因此,牛頓的平直空間同萬有引力定律之間存在著一個(gè)邏輯矛盾:按萬有引力定律,宇宙間一切物體都具有萬有引力,那么,圍繞著每個(gè)物體周圍都存在著引力場
5、。對于一個(gè)單獨(dú)物體,它的引力場無法顯示出來,如果在引力場里有一個(gè)相對物體很小的單位質(zhì)量的物體,這時(shí),物體周圍的空間性質(zhì)立即就顯示出來了。實(shí)際顯示的空間并不是如牛頓所描述的平直的絕對空間,物體的引力場同電荷場的分布是一樣的,引力作用隨著離開物體的距離r的增加而以m/r2形式不斷減小,而與物體的質(zhì)量m成正比,密度愈高質(zhì)量愈大的物體,周圍空間引力場強(qiáng)度愈大,彎曲也愈厲害??梢砸胍?m/r的概念來表示物體周圍的空間分布,對于一個(gè)單獨(dú)的物體來說(可看成物質(zhì)均勻分布的對稱球體),引力勢分布是一系列從引力中心向外連續(xù)分布的同心球面(實(shí)際上兩個(gè)相鄰球面的能量差至
6、少為一個(gè)量子數(shù)h),各球面上的引力勢隨離中心的距離增加而增加。處在同一個(gè)球面上的所有點(diǎn),其引力勢都相等。引力勢相等的曲面稱為等勢面。所以,當(dāng)一個(gè)物體在引力場中運(yùn)動(dòng)時(shí),只要物體作跨越等勢面的運(yùn)動(dòng),也就是作變速運(yùn)動(dòng),就必定受到了力的作用。如果物體不受外力的作用,則物體將保持靜止或作沿等勢面的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。對于只有一個(gè)單獨(dú)的中心體來講,物體將圍繞中心體作圓周運(yùn)動(dòng)。如地球圍繞太陽,電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)。它們各自穩(wěn)定在相應(yīng)的軌道上,只有在受到外力作用時(shí),物體才會(huì)作跨越等勢面的運(yùn)動(dòng),而這種運(yùn)動(dòng)則必然要改變物體的慣性能。對于由多個(gè)物體構(gòu)成的引力中心系統(tǒng),它們的引力勢
7、會(huì)相互疊加會(huì)改變等勢面的形狀,成為不是同心球面,如果再考慮到系統(tǒng)外物體的影響,則等勢面的空間結(jié)構(gòu)會(huì)變得較為復(fù)雜,沿等勢面運(yùn)動(dòng)更是復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)。我們以上推斷的結(jié)論同牛頓的慣性定律有著顯著差別。牛頓慣性定律認(rèn)為:物體在不受外力作用時(shí),物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但我們可以看到,在處處存在著萬有引力的宇宙空間里,空間不再是歐幾里德的平直空間,物體在彎曲的空間里運(yùn)動(dòng),勻速直線運(yùn)動(dòng)必定會(huì)與引力等勢面相交,因此,不受到外力作用的勻速直線運(yùn)動(dòng)是不可能永遠(yuǎn)繼續(xù)下去的,要使不受外力作用的物體勻速運(yùn)動(dòng)能持續(xù)維持,物體必須沿著引力等勢面運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)離引力中心的曲率半
8、徑相當(dāng)大時(shí),沿曲面的運(yùn)動(dòng)才能近似看作直線運(yùn)動(dòng)。也就是說,牛頓第一定律的正確描述應(yīng)該是:物體在不