大学物理教程：惯性系与非惯性系

1.惯性系和非惯性系

在运动学中，研究物体的运动可任选参考系，只是所选择的参考系应给对物体运动的研究带来方便。那么在动力学中，应用牛顿定律研究物体的运动时，参考系还能不能任意选择呢？也就是说牛顿定律是否对任意参考系都适用呢？我们通过下面的例子来进行讨论。

在火车车厢内的一个光滑桌面上放一个小球，当车厢相对地面以匀速前进时，这个小球相对桌面处于静止状态，而路基旁的人则看到小球随车厢一起作匀速直线运动。这时，无论是以车厢还是以地面作为参考系，牛顿定律都是适用的。因为小球在水平方向不受外力作用，它保持静止或匀速直线运动状态。但当车厢突然相对于地面以向前的加速度a0运动时，车厢内的乘客观察到此小球相对于车厢内的桌面以加速度-a0向后作加速运动，如图2-1所示。这个现象，对处于不同参考系的观察者，可以得出不同的结论。站在路基旁的人，觉得这件事是很自然的，因为小球和桌面之间非常光滑，它们之间的摩擦力可以忽略不计，因此，当桌面随车厢一起以加速度a0向前运动时，小球在水平方向并没有受到外力作用，所以它仍保持原来的运动状态，牛顿定律此时仍然是适用的。然而对于坐在车厢内的乘客来说，这就很不好理解了，既然小球在水平方向没有受到外力作用，小球怎么会在水平方向具有-a0的加速度呢？所以，对于车厢这个参考系来说，牛顿定律并不成立。

图2-1　惯性力

由此可见，牛顿定律不是对任意的参考系都适用的。我们把牛顿定律适用的参考系称为惯性参考系，简称惯性系，而牛顿定律不适用的参考系称为非惯性系。例如，前面所述的地面以及相对地面作匀速直线运动的车厢，都是惯性系；而相对地面作加速运动的车厢则是非惯性系。

要确定一个参考系是不是惯性系，只能依靠观察和实验。地球这个参考系能否看作是惯性系呢？生活实践和实验表明，地球可视为惯性系，但考虑到地球的自转和公转，所以地球又不是一个严格的惯性系。然而，一般在研究地面上物体的运动时，由于地球对太阳的向心加速度和地面上的物体对地心的向心加速度都比较小，所以，地球仍可近似地看成是惯性系。(www.xing528.com)

实际问题有不少属于非惯性系的力学问题，如何处理这些问题呢？为了仍可方便地运用牛顿定律求解非惯性系中的力学问题，引入了惯性力的概念。

2.惯性力

上面例子中，我们设想作用在质量为m的小球上有一个惯性力，并认为这个惯性力为F∗=-m a0，那么对加速运动的火车这个非惯性系也可应用牛顿第二定律。这就是说，对处于加速度为a0的火车中的观察者来说，他认为有一个大小等于m a0，方向与a0相反的惯性力作用在小球上。

当把惯性力F∗一并考虑时，非惯性系中仍然可借用牛顿第二定律的数学表达式，即

式中，a是物体相对非惯性系的加速度；F是物体所受到的除惯性力以外的合外力。