参照系,又称参照物,物理学名词,指研究物体运动时所选定的参照物体或彼此不作相对运动的物体系。根据牛顿力学定律在参考系中是否成立这一点,可把参考系分为惯性系和非惯性系两类。
参考系的选择是任意的,但应以观察方便和使运动的描述尽可能简单为原则,研究地面上物体的运动常选择地面为参考系。
一般题目未注明,参照系就是地面。
参考系的选择
1.事先假定参考系不动。
2.选择不同的参考系,结果会有所不同。
3.参考系的选取可以是任意的。
4.要在同一参考系中。
性质
标准性:用来做参考系的物体都是假定不动的,被研究的物体是运动还是静止,都是相对于参考系而言的。
任意性:参考系的选取具有任意性,但应以观察方便和运动的描述尽可能简单为原则。
统一性:比较不同的运动时,应该选择同一参考系。
差异性:同一运动选择不同的参考系,观察结果一般不同。例如,坐在行驶的车中的乘客,以地面为参考系,乘客是运动的,但如果以车为参考系,则乘客是静止的。
惯性参考系
对惯性定律成立的参考系,简称惯性系。经典力学的相对性原理指出,一切力学规律在相互作匀速运动而无转动的参考系中都是相同的。在—个作匀速直线运动的密封座舱中的观察者,无法通过内部的力学实验来判断座舱相对于恒星是静止的还是在作匀速运动的,他只有朝窗外看才能知道,但仍然无法判断究竟是座舱还是恒星在运动。另一方面,参考系在力学上的这种等效,并非对任意运动的参考系都成立。在颠簸运行的火车里和在作匀速运动的火车里,力学运动并不服从同样的定律。在精确地写相对于地球的运动方程时,必须考虑地球的转动。一个参考系,如果自由质点在其中作非加速运动,就称为惯性参考系或伽利略参考系,所有相互作非加速运动而无转动的参考系都是惯性参考系。
判断一个特定参考系是不是惯性系,取决于能以多大的精确度去测出这个参考系的微小加速度效应。在地面上的一般工程动力学中,由于地球的自转角速度较小,地面上一点的向心加逮度很小,可取与地球固连的坐标系作为惯性参考系。在一些必须把地球自转计算在内的问题中,例如研究陀螺仪表的漂移时,可采用地球中心坐标系作为近似的惯性参考系,其原点与地球中心重合,轴指向所认定的恒星。天文学中则采用黄道坐标系或银道坐标系作为惯性参考系。地球表面赤道上一点的向心加速度为3.4厘米/秒2,地球绕太阳公转的向心加速度为0.6厘米/秒2,太阳绕银河系中心转动的向心加速度约为3×10-8厘米/秒2。从以上数据可看出所选取的惯性参考系的近似程度。
非惯性各考系
对惯性参考系作加速运动或转动的参考系,简称非惯性系。
对惯性系以不变的加速度α在运动的非惯性系,称为加速运动参考系。在此参考系中静止的物体必有力F=mα作用着。在引力场中,物体都受引力作用,因此对引力场中惯性系静止的物体也受引力作用。若另有一非惯性系,它对惯性系的加速度和这引力产生的加速度相同,则在此非惯性系中的观察者并不觉得有引力场,也不知自己有加速运动,这就是爱因斯坦的“升降机”,说明引力场和非惯性系是等效的。
对惯性参考系转动的参考系称为转动参考系。假定惯性系静止,则与转动参考系固连的刚体运动,就是转动参考系对惯性系的运动。
参考系和等效原理
惯性质量与引力质量的相等一般称为等效原理。这个原理导致一个结沦:一个存在着引力场的惯性参考系和另一个作加速运动的非惯性参考系是等效的,即内部的物理实验不能区分这两种参考系,这就是爱因斯坦等效原理。以爱因斯坦“升降机”为例 [2] ,若升降机在1g的均匀引力场中静止,另外,又在自由空间中以9.81米/秒2的加速度向上作匀加速运动,由于惯性质量和引力质量相等,在上述两种情况中所作的同样的内部物理实验结果相同。里面的观察者既可认为升降机静止,且机厢内存在引力场;又可认为机厢内不存在引力场,只是升降机以9.81米/秒2的加速度向上运动。
惯性质量和引力质量的等效导致另一种情况。若一物体在均匀引力场中自由下落,其中的质点,由于惯性质量和引力质量相等,共惯性力和引力平衡。因此,同均匀引力场中自由降落的物体相固结的非旋转参考系和自由空间的惯性参考系是等效的。在环绕地球飞行的宇宙飞船中,“失重”现象就是由于引力和离心惯性力平衡所引起的。
惯性质量和引力质量的相等常称为弱等效原理,爱因斯坦的等效原理则称为强等效原理。等效原理是广义相对论的基础。
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