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中学物理课本难道是错的?惯性力是什么?

2021-12-31 23:10 作者:青肉Ong-gia  | 我要投稿

  在初中我们学习牛顿第一定律的时候,老师都会明确告诉我们:惯性是物体的一种固有属性,不存在惯性力这种说法。

  但是当我们看一些奇奇怪怪的东西的时候(例如离心现象,以及万能的b站评论区)因为时常看到惯性力这种说法。

 那么问题来了:中学课本教给我们的知识难道是错的吗?惯性力到底是个什么东西?

 在高中物理必修一中,我们已经学过了运动学以及简单的牛顿力学,而当他们二者结合的时候,就构成一门新的学科动力学。

 动力学中最基本的公式是牛顿第二定律,数学表达式为F=ma,这条式子非常牛逼,它揭示了力与运动之间的关系,把加速度和力这两个东西统一到了一起。

 但是

细想一下我们会发现一个问题:

物体的受力分析是不依赖于参考系的,即在任何参考系中物体的受力情况都一样

而运动却具有相对性,在不同参考系中观察到的运动结果是不一样的

这就很有意思了同学们,牛顿第二定律告诉我们,力和加速度是对应的。但受力分析具有绝对性,物体的运动却具有相对性,那我们就可以导出一些很有意思的结论。

试想一下这样一个场景,一个小球静止在一辆小车的一个光滑桌面上,当小车突然向左加速运动时,以车为参考系,小球会往后滑,根据牛顿第二定律,小球肯定受到一个向后的力。但我们对小球进行受力分析,却发现它只受支持力和重力两个力。

这不是赤裸裸地违背了牛顿第二定律吗?

实际上假如我们以地面为参考系,这个过程是十分自然的,小车向左加速运动,小球由于自身惯性静止在原地,牛顿运动定律依然成立。

像这样牛顿运动定律成立的参考系,我们叫做惯性参考系。

而当我们以小车为参考系时,通过上述分析牛顿第二定律明显不成立

像这样的参考系,我们叫做非惯性参考系。

让我们仔细想一下,在小车上牛顿运动定律不成立的原因是什么呢其实就是因为小车对于地面有相对加速度。

所以非惯性参考系其实也就是相对惯性参考系具有加速度的参考系

而在非惯性参考系中

我们发现,离开了牛顿定律,我们什么也无法计算!QAQ

(牛顿的骨灰在悄悄凝聚)

为了安顿牛顿的骨灰,物理学家们便提出了惯性力这个概念,我们可以认为:在非惯性参考系中,物体受到一个方向与参考系加速度方向相反,大小为ma的力。

在刚刚的小车问题中,我们可以认为球受到了一个方向向右的惯性力,那么根据牛顿第二定律,小球向后移动就是理所当然的了。

于是我们发现,牛顿第二定律又成立了૧(●´৺`●)૭

通过惯性力,我们还可以把动力学问题转换成静力学问题,然后用静力学问题的方法来解决问题。你可以认为,这个过程就好像一个二逼可以把对手的智商拉到和他同一个水平线上,再用他丰富的二逼经验打败对手。

我们看一个高一力学的模型吧


如图斜面光滑,倾角为θ,绳与斜面平行,现使斜面向右做匀加速直线运动,求绳子的弹力大小

如图,以斜面为参考系,则小球受到了弹力,拉力重力和惯性力四个力,由力的平衡条件可以马上算出绳子拉力的大小

对于超失重现象,我们也可以用惯性力来解释, 当物体有向上的加速度,物体受到向下的惯性力ma(可以认为在物体上面又叠加了一个大小为a的引力场),故此时支持力为m(a+g),发生超重现象。

失重现象同理

总结

惯性力实际上并不存在(中学物理课本还是不会出错的),但是在非惯性参考系中。可以引入惯性力来弥补牛顿定律不成立的情况惯性力是一种可以帮助我们简便处理问题的工具,实际上体现了一种数学思想,当然,一切能用非惯性参考系解决的问题,都能用惯性参考系和牛顿定律解决,但是惯性力能帮助我们更高效的解决问题


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