一、什么是非惯性系
在课内的学习中,大家可能会看到这样的说法:在惯性系里,牛顿运动定律成立。然则什么是惯性系,以及为什么在非惯性系中,牛顿定律不成立,却鲜有涉及,因为这并不是课程大纲中需要掌握的内容,即使在一些初级的竞赛中也不会有相关的题目。
但对于一些较难的竞赛,或者是想要加深对物理现象的理解,还是有必要学一下非惯性系的内容。这里我们直接给定非惯性系的定义:有加速度的参考系!这里的加速可以理解为直线运动的加速度,也可理解为圆周运动的加速度。
二、惯性系 VS 非惯性系
转动的非惯性系
前几期我们介绍了两个惯性力,一个与平动相关,另外一个是离心力,现在我们再给出第三个惯性力-科里奥利力。
依然考虑之前的模型,一个转动的盘子上,放了一个小球,假定盘子是光滑的,那么不难做出受力分析,小球所受重力与盘子给的支持力互相平衡,水平无任何力。因此在地面上的人看来,小球原地不动。

但以盘子作为参考系呢?此时我们指出:小球相对于转动的参考系在运动,会受到新的惯性力—科里奥利力Fcori
Fcori=−2m ω×v
其中的ω为角速度矢量,v是物体相对于参考系的速度。ω×v中的乘号代表向量的叉乘运算,其方向是大家需要用右手定则来确认的,此处不再赘述。
依然,大家不需知道科里奥利力这个表达式的来源,其推导过程远超高中阶段的物理,我们学会应用即可。做出本题对于小球的受力分析图(在转动参考系下)如下

其中Fcent是前面讲到的离心力(Centrifugal force),而Fcori则是由于小球相对于参考系运动,所受的科里奥利力(Coriolis Force),其方向判定可以这么来看:先用右手定则找ω×v的方向,然后把这个方向反转即可(因为有负号),大小可以写做Fcor=2mωv=2mω2r,
不妨再给出受力分析图(俯视图)

之后我们在水平方向写出牛顿第二定律:
ΣF=ma'
Fcor−Fcent=mω2r=ma'
其中a'是这个小球相对于盘子的加速度,解得a'=ω2r,这和向心加速度的表达式一致,此时可以这么理解,物体相对于盘子做顺时针方向的圆周运动。
三、结语
今后做题的时候大家需要先确定选取的参考系,然后做受力分析,对于非惯性系还需要加上相关的惯性力,之后列牛顿运动定律来求解即可。
