非惯性系与惯性力
非惯性系 惯性力
地球自转和公转产生的惯性力，使得地球上的物体受到向心力的作用， 从而解释了地球形状为椭球体的原因以及昼夜交替和四季变化的现象。
03
解释潮汐现象
月球和太阳对地球的引力作用，使得地球表面的水体产生潮汐现象。通
过引入惯性力的概念，可以解释潮汐的成因以及潮汐对地球自转速度的
影响。
分析微观粒子行为
分类
非惯性系可分为加速平动参考系和转动参考系两类。加速平动参考系中的物体 受到与加速度方向相反的惯性力作用；转动参考系中的物体则受到与转动角速 度相关的科里奥利力和向心力作用。
牛顿运动定律在非惯性系中适用性
牛顿运动定律在惯性系中成立，但在非惯性系中不再适用。 在非惯性系中，为了描述物体的真实运动状态，需要引入虚 拟的惯性力。
4. 分析实验数据，比较物体在惯性系 和非惯性系中的运动状态。
数据采集和处理方法
数据采集：使用高精度测量设备记录物 体在平台旋转过程中的位置、速度和加 速度等参数。
3. 通过统计分析方法，对实验结果的可 靠性和准确性进行评估。
2. 使用数值分析方法对物体在惯性系和 非惯性系中的运动状态进行模拟和比较 。
01
为解决工程实际问题提供理论支持。
02
研究内容
非惯性系的定义和分类。
03
研究目的和内容
1
惯性力的概念、性质及其在非惯性系中的作用。
2
非惯性系下物体的运动方程和动力学特性分析。
3
非惯性系在实际工程中的应用案例研究。
02
非惯性系基本概念
非惯性系定义及分类
定义
非惯性系是指不满足牛顿第一定律的参考系，即在其中观察到的物体运动状态 不遵循惯性定律。
洛伦兹变换是相对论中描述不同惯性参考系之间物理量转换的基本规则，适用于高速运动的物体。在 洛伦兹变换下，时间和空间是相对的，会随着参考系的改变而改变。洛伦兹变换考虑了光速不变原理 ，是更精确的描述方式。
惯性系与非惯性系之间的变换关系
惯性系与非惯性系之间的变换关系引言在物理学中，惯性系和非惯性系是两个重要的概念。
惯性系是指一个不受外力作用的参考系，而非惯性系则是受到外力作用的参考系。
本文将探讨惯性系与非惯性系之间的变换关系，以及这种变换关系在物理学中的应用。
一、惯性系的定义与特点惯性系是指一个不受外力作用的参考系，也就是说，在惯性系中，物体的运动状态将保持不变，即使没有施加任何力。
惯性系的特点是物体在其中运动的速度和方向保持不变。
在日常生活中，我们常常使用地球作为一个近似的惯性系。
在地球上，我们可以观察到物体的运动状态并进行测量。
当我们站在地面上，感受到的力是重力和地面对我们的支持力，而这些力并不会改变我们的运动状态。
二、非惯性系的定义与特点非惯性系是指一个受到外力作用的参考系。
在非惯性系中，物体的运动状态将受到外力的影响而发生改变。
非惯性系的特点是物体在其中运动的速度和方向随时间变化。
例如，在一个以恒定速度旋转的旋转木马上，我们会感受到离心力的作用。
这个离心力会改变我们的运动状态，使我们感觉到向外被拉扯。
在这个旋转木马上，我们处于一个非惯性系中。
三、在物理学中，我们常常需要在惯性系和非惯性系之间进行变换。
这是因为在非惯性系中进行物理实验和观测是非常困难的，而惯性系则提供了一个相对简单的参考系。
为了在惯性系和非惯性系之间建立联系，我们引入了一个叫做惯性力的概念。
惯性力是一种虚拟的力，它的作用是模拟非惯性系中物体的运动状态。
具体而言，当我们从一个非惯性系变换到一个惯性系时，我们需要引入一个与非惯性系中的加速度相等但方向相反的惯性力。
这个惯性力的作用是使物体在惯性系中的运动状态保持不变。
四、惯性系与非惯性系变换的应用惯性系与非惯性系之间的变换关系在物理学中有广泛的应用。
其中一个重要的应用是在运动学和动力学中的问题求解。
例如，在一个以匀速旋转的圆盘上，我们放置一个小球。
在非惯性系中，小球会受到离心力的作用而向外滑动。
然而，如果我们将问题转换到一个惯性系中，我们可以通过引入一个与离心力相等但方向相反的惯性力来解决问题。
非惯性系和惯性力
质能等价：物体所具有的能量与其 质量成正比，能量增加会导致质量 增加
添加标题
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时间膨胀：在高速运动状态下，时 间会变慢
光速不变：无论观察者以何种速度 观察，光速始终保持不变
汇报人：XX
举例：在地球上，我们感受到的重力实际上是地球自转惯性力的表现。
意义：惯性力的引入是为了修正牛顿第二定律在非惯性系中的不适用性。
定义：惯性力是物体在非惯性系中受到的虚拟力，等于物体质量与加速度的乘积
计算公式：F=ma
适用范围：适用于任何具有加速度的非惯性系
注意事项：惯性力只是一种虚拟力，并非实际存在的力，但在非惯性系中计算物 体运动时需要加上惯性力的作用
定义：非惯性系是指相对于惯 性参考系加速运动的参考系
应用：通过引入惯性力来处 理非惯性系中的问题
举例：汽车加速时，乘客会 受到向后的惯性力作用
定义：惯性力是指物体在加速参考系中受到的力，用以保持物体静止或匀速直线 运动的状态。 特性：与物体质量成正比，方向与加速度相反，大小等于质量与加速度的乘积。
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
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非惯性系是指相对于惯性参考 系加速运动的参考系
在非惯性系中，观察到物体受 到惯性力作用
常见的非惯性系有加速直线运 动和匀速圆周运动的参考系
非惯性系在相对论和经典力学 中都有重要应用
相对性原理是物理学的 基本原理之一，表明物 理定律在不同的惯性参 考系中具有相同的形式。
定义：非惯性系中的惯性力是由于 参考系相对于惯性空间的加速或转 动而产生的虚拟力。
方向：与加速度方向相反，作用在 物体上。添加标题添加标题添加标题
惯性力与非惯性系
惯性力是非惯性系中的非真实力，本文证明了 在非惯性系中将惯性力视为真实力计入后，惯性系 下的所有力学规律在非惯性系下都能成立。在惯性 力做功与路径无关时，我们可以引入惯性力势能， 并计入系统总机械能后，惯性系下体系机械能守恒 的条件与结论在非惯性系中也仍然成立。
惯性系下，即o1系下，有： a1=F/m dv1=a1dt dr1=v1dt dv1=a1dt=Fdt/m ＝＞ mdv1=Fdt ＝＞ d(mv1)=Fdt——冲量定理 元功 δw1=Fdr1=ma1v1dt =mv1dv1=d(mv12/2) ——动能定理 由 d(mv12/2)=Fdr1=(F保+F非保)dr1 =F保dr1+ F非保dr1 引入势能 即 F保dr1=-dU1 d(mv12/2)= -dU1+ F非保dr1 d(mv12/2 +U1)= F非保dr1 ——功能原理 若 F非保dr1=0 ＝＞mv12/2 +U1=常量 ——机械能守恒
惯性势能与机械能守恒
1、惯性力做功与路径无关的例子 dW=fdr ＝＞W=mrω2dr =mω2(rB2-rA2)/2 惯性力的功W于路径无关 2、引入惯性力势能 设o点（r=0）处惯性力势 能为零，则系中任一点 r 处 的惯性力势能可表示为 U(r)= -W= -mω2(r2-0)/2 = -mω2r2/2 一般定义为: dU惯 = - f惯dr 3 、机械能守恒 d(mv2/2 +U)=( F非保 +f)dr 又 f惯dr= -dU惯 d(mv2/2 +U +U惯 )= F非保dr F非保dr=0＝＞mv2/2 +U+dU惯 =常量——机械能守恒
非惯性系下，即o2系下，有： 惯性力f= -ma a2=a1-a0=F/m+f/m=(F&
惯性力与非惯性参考系描述非惯性参考系下物体运动的力学原理
惯性力与非惯性参考系描述非惯性参考系下物体运动的力学原理惯性力是描述非惯性参考系下物体运动的力学原理。
在非惯性参考系中观察物体的运动时，会出现额外的力，即惯性力。
惯性力的出现是由于非惯性参考系的运动导致的，它并非真实存在的力。
惯性力的概念是为了使物体在非惯性参考系中的运动符合牛顿第二定律而引入的。
非惯性参考系是指相对于一个惯性参考系有加速度的参考系。
在非惯性参考系中观察物体的运动时，物体看似受到了额外的力，这些力就是惯性力。
惯性力的大小与物体的质量和非惯性参考系的加速度有关。
惯性力的方向则与非惯性参考系的加速度相反。
根据牛顿第二定律，物体在非惯性参考系中的运动需要考虑惯性力的作用。
以一个例子来说明惯性力的概念。
假设有一个物体在一辆加速的车厢中静止，如果我们在车厢外观察物体，它看起来就好像受到了一个向后的力。
这个力就是惯性力，它是为了使物体在非惯性参考系中的运动与惯性参考系中的运动一致而引入的。
在这个例子中，我们可以看到惯性力的方向与非惯性参考系的加速度相反。
在描述非惯性参考系下物体运动的力学原理时，需要考虑惯性力的作用。
在非惯性参考系中，物体的运动是由受力情况决定的。
根据牛顿第二定律，物体受到的合力等于质量乘以加速度。
而在非惯性参考系中，要使得物体的运动符合牛顿第二定律的描述，需要考虑惯性力的作用。
惯性力的引入使得我们可以在非惯性参考系中应用力学定律，从而简化对物体运动的描述。
通过考虑惯性力，我们可以用与在惯性参考系中相同的方式来分析非惯性参考系下的物体运动。
这使得力学定律的应用更加普适和统一。
总结起来，惯性力是为了描述非惯性参考系下物体运动的力学原理而引入的。
惯性力并非真实存在的力，而是由于非惯性参考系的运动导致的。
惯性力的引入使得我们可以应用力学定律来描述非惯性参考系下物体的运动，使得力学定律的应用更加普适和统一。
大学物理3.3(2)非惯性系与惯性力
质量定义不变 ，加 速度定义不 变，必须修正外力。
ma F
修正项为惯性力：
F
ma0
F0 ma0
F
F0
因惯性力不是真实的相互作用，所以没有反作用力。
1
例四：转动参考系中的惯性力。 vr r vr ar r r 2 径向分量 v r r a r 2vr 横向分量
j i r
(t)
o
如果观察者坐在圆盘上去观察在圆盘上运动的物体，
那么观察者因为同圆盘一起转动，感觉不到角速度。
a
ri
r
j
F0
ma0
m
(a
a)
mr 2 i
2 mv r j
f r m r 2 ～称惯性离心力，方向始终沿半径向外。
三、非惯性系与惯性力
1. 非惯性系中牛顿定律的失效：
设 S 为惯性系，S 为非惯性系，
ma0
S
mg
a0
S
ma ma ma0 ma ma ma0 F ma0
2. 非惯性系中牛顿定律的修正： 为了使牛顿定律形式上依然成立，需引入修正项，
f m2vr ～称科里奥利力，方向始终沿速度向右。 半径增大的物体偏向西；而半径减小的物体偏向东。
以上结论适用于北半球，而对于南半球情形则相反。
2
2.5非惯性系与惯性力
注意： 惯性力不是真实力，无反作用力。故又称虚拟力。 注意： 惯性力不是真实力，无反作用力。故又称虚拟力。 2、非惯性系中的力学规律： 非惯性系中的力学规律：
r r r F + f惯 = m a '
r 为物体相对非惯性系的加速度。 a ' 为物体相对非惯性系的加速度。
在平动加速参考系中
v v Fi = −ma0
在转动参考中 惯性离心力
v 2v Fi = −mω r
v αT m r v a mg
v 以加速度 a 运动的车厢内吊一重物m
T cos α = ma
，
r a
T sin α = mg
v v 车厢内的观测者以车厢为参考系。 合力不为零。 车厢内的观测者以车厢为参考系。T与 mg 合力不为零。
i
静止，牛顿定律不成立。 但 m 静止，牛顿定律不成立。若在 m 上给它假定一个向左 v v 三个力就平衡了，牛顿定律就成立了。 的力 F = − m, 三个力就平衡了，牛顿定律就成立了。 a
三、非惯性系中的力学定律、惯性力： 非惯性系中的力学定律、惯性力： 1、惯性力：在非惯性系中引入的和参考系本身的加速运动 惯性力： 相联系的力。 相联系的力。 定义：惯性力： 定义：惯性力： 其中： 其中：
r r f 惯 = −ma
m 为研究对象的质量； r 为研究对象的质量； 为非惯性系相对惯性系的加速度。 a 为非惯性系相对惯性系的加速度。 v f 惯 = ma f 惯的方向与非惯性系的加 速度反向。 速度反向。
§2-5 非惯性参考系 惯性力
一、惯性参考系与非惯性系： 惯性参考系与非惯性系： 牛顿运动定律适用的参考系称为惯性参考系。 牛顿运动定律适用的参考系称为惯性参考系。 由实验得知，日心参考系是足够精确的惯性系。 由实验得知，日心参考系是足够精确的惯性系。 地球参考系是相当精确的惯性系。 地球参考系是相当精确的惯性系。 相对于惯性系作匀速直线运动的参考系是惯性系。 相对于惯性系作匀速直线运动的参考系是惯性系。 非惯性系：相对二、几种非惯性系： 几种非惯性系： 1、作加速直线运动的参考系 地面观测者： 地面观测者：
2-5 非惯性系 惯性力
非惯性系包括：平动加速系、 非惯性系包括：平动加速系、转动系
非惯性系包括：平动加速系、 非惯性系包括：平动加速系、转动系 一、平动加速系中的惯性力 平动加速系中的惯性力
m
小球静止 小球加速
a0 a0
小球不受力
小车是非惯性系 牛顿定律不成立！ 牛顿定律不成立！ 若用牛顿定律思 考，则必认为小 球受力为 m a 0
θ
N
θ
ma0
mg
a′
θ
x
N′
Ma0
Mg
对物体： 对物体： 方向： x 方向：N sinθ + ma0 = ma′cosθ
y 方向：N cosθ mg = ma′sinθ 方向：
对楔块： 对楔块： 方向： x 方向： N sinθ + Ma0 = 0
连立求解得
( M + m ) sinθ a′ = g 2 M + m sin θ m sinθ cosθ g a0 = M + m sin 2 θ 由 a = a′ + a 得
M >> m
二、转动系中的惯性力 设圆盘匀速转动，物体 相对圆盘 相对圆盘静止 设圆盘匀速转动，物体m相对圆盘静止
ω
还受惯性力 真实弹力 m 惯性离心力
弹力
转动系S 转动系
惯性系S 惯性系
这时，惯性力只是惯性离心力。 这时，惯性力只是惯性离心力。
惯性离心力 地面参照系 弹簧提供给小球向心力 圆盘参照系 弹簧平衡惯性力 惯性离心力
惯性系，牛顿定律成立。 惯性系，牛顿定律成立。
T
???
a0
mg
F
T
Oh！ ！
a0
F = ma0 i
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m
(a
a
)
mr 2 i
2 mv rj
f r m r 2 ～称惯性离心力，方向始终沿半径向外。
f m2vr ～称科里奥利力，方向始终沿速度向右。
半径增大的物体偏向西；而半径减小的物体偏向东。
以上结论适用于北半球，而对于南半球情形则相反。
2
三、非惯性系与惯性力
1. 非惯性系中牛顿定律的失效：
ma0
a0
设maS为m惯a性 系m，a0S
为非惯性系，
ma
ma
S
S ma0
F
mg
ma0
2. 非惯性系中牛顿定律的修正： 为了使牛顿定律形速 度F定义m不a0变，F必须F修0 正外力。 修正项为惯性力： F0 ma0
因惯性力不是真实的相互作用，所以没有反作用力。
1
例四：转动参考系中的惯性力。
vr r vr
ar r r 2 径向分量
v rr a r 2vr 横向分量
ji
r
(t)
如果观察者坐在圆盘上去观察在圆盘上运动的物体，
那么观察者因为同圆盘一起转动，感觉不到角速度。
a ri r j
F 0
ma 0