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中學(xué)物理課本難道是錯的?慣性力是什么?

2021-12-31 23:10 作者:青肉Ong-gia  | 我要投稿

? 在初中我們學(xué)習(xí)牛頓第一定律的時候,老師都會明確告訴我們:慣性是物體的一種固有屬性,不存在慣性力這種說法。

? 但是當(dāng)我們看一些奇奇怪怪的東西的時候(例如離心現(xiàn)象,以及萬能的b站評論區(qū))因為時??吹綉T性力這種說法。

?那么問題來了:中學(xué)課本教給我們的知識難道是錯的嗎?慣性力到底是個什么東西?

?在高中物理必修一中,我們已經(jīng)學(xué)過了運動學(xué)以及簡單的牛頓力學(xué),而當(dāng)他們二者結(jié)合的時候,就構(gòu)成一門新的學(xué)科動力學(xué)。

?動力學(xué)中最基本的公式是牛頓第二定律,數(shù)學(xué)表達(dá)式為F=ma,這條式子非常牛逼,它揭示了力與運動之間的關(guān)系,把加速度和力這兩個東西統(tǒng)一到了一起。

?但是

細(xì)想一下我們會發(fā)現(xiàn)一個問題:

物體的受力分析是不依賴于參考系的,即在任何參考系中物體的受力情況都一樣

而運動卻具有相對性,在不同參考系中觀察到的運動結(jié)果是不一樣的

這就很有意思了同學(xué)們,牛頓第二定律告訴我們,力和加速度是對應(yīng)的。但受力分析具有絕對性,物體的運動卻具有相對性,那我們就可以導(dǎo)出一些很有意思的結(jié)論。

試想一下這樣一個場景,一個小球靜止在一輛小車的一個光滑桌面上,當(dāng)小車突然向左加速運動時,以車為參考系,小球會往后滑,根據(jù)牛頓第二定律,小球肯定受到一個向后的力。但我們對小球進(jìn)行受力分析,卻發(fā)現(xiàn)它只受支持力和重力兩個力。

這不是赤裸裸地違背了牛頓第二定律嗎?

實際上假如我們以地面為參考系,這個過程是十分自然的,小車向左加速運動,小球由于自身慣性靜止在原地,牛頓運動定律依然成立。

像這樣牛頓運動定律成立的參考系,我們叫做慣性參考系。

而當(dāng)我們以小車為參考系時,通過上述分析牛頓第二定律明顯不成立

像這樣的參考系,我們叫做非慣性參考系。

讓我們仔細(xì)想一下,在小車上牛頓運動定律不成立的原因是什么呢其實就是因為小車對于地面有相對加速度。

所以非慣性參考系其實也就是相對慣性參考系具有加速度的參考系

而在非慣性參考系中

我們發(fā)現(xiàn),離開了牛頓定律,我們什么也無法計算!QAQ

(牛頓的骨灰在悄悄凝聚)

為了安頓牛頓的骨灰,物理學(xué)家們便提出了慣性力這個概念,我們可以認(rèn)為:在非慣性參考系中,物體受到一個方向與參考系加速度方向相反,大小為ma的力。

在剛剛的小車問題中,我們可以認(rèn)為球受到了一個方向向右的慣性力,那么根據(jù)牛頓第二定律,小球向后移動就是理所當(dāng)然的了。

于是我們發(fā)現(xiàn),牛頓第二定律又成立了?(●′?`●)?

通過慣性力,我們還可以把動力學(xué)問題轉(zhuǎn)換成靜力學(xué)問題,然后用靜力學(xué)問題的方法來解決問題。你可以認(rèn)為,這個過程就好像一個二逼可以把對手的智商拉到和他同一個水平線上,再用他豐富的二逼經(jīng)驗打敗對手。

我們看一個高一力學(xué)的模型吧


如圖斜面光滑,傾角為θ,繩與斜面平行,現(xiàn)使斜面向右做勻加速直線運動,求繩子的彈力大小

如圖,以斜面為參考系,則小球受到了彈力,拉力重力和慣性力四個力,由力的平衡條件可以馬上算出繩子拉力的大小

對于超失重現(xiàn)象,我們也可以用慣性力來解釋, 當(dāng)物體有向上的加速度,物體受到向下的慣性力ma(可以認(rèn)為在物體上面又疊加了一個大小為a的引力場),故此時支持力為m(a+g),發(fā)生超重現(xiàn)象。

失重現(xiàn)象同理

總結(jié)

慣性力實際上并不存在(中學(xué)物理課本還是不會出錯的),但是在非慣性參考系中??梢砸霊T性力來彌補牛頓定律不成立的情況慣性力是一種可以幫助我們簡便處理問題的工具,實際上體現(xiàn)了一種數(shù)學(xué)思想,當(dāng)然,一切能用非慣性參考系解決的問題,都能用慣性參考系和牛頓定律解決,但是慣性力能幫助我們更高效的解決問題


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