研究行星、卫星、自由落体为何选用不同的参考系?


动画中,红色圆表示太阳,其中黑点表示太阳黑子;蓝色园表示地球,其中两条线段分别表示假想的竖立在北极的杆子、竖立在赤道某处的杆子。时间比例尺大约是1:86400,就是说动画中1秒表示1天。
描述行星运动或普通物体运动,用哪个参考系都可以,只要方便就行。但是,用牛顿力学处理问题,却需要根据问题的性质选择参考系。
在经典力学中,力、时间、质量的取值与参考系无关,而位置、位移、速度、加速度等物理量的取值与参考系有关,相应地,动量、动能、冲量、功、功率等物理量与参考系有关;因此,牛顿第一定律,牛顿第二定律,动量定理、动量守恒定律、动能定理的基本表述并不是在任何参考系(或者建立在参考系上的坐标系)都成立。
牛顿以及继承者在创立经典力学的初期已经发现:
1,研究太阳系行星运动时,以太阳中心为原点,指向一颗恒星的方向为x轴方向,指向一颗恒星的方向为y轴方向,这样的坐标系上,牛顿第二定律等定律定理接近成立。
2,研究月球或地球周围的人造卫星的运动时,以地球中心为原点,指向一颗恒星的方向为x轴方向,指向一颗恒星的方向为y轴方向,这样的坐标系上,牛顿第二定律等定律定理接近成立。(如果要求更高的精确度,那么以地球月球系统的质量中心为原点,指向一颗恒星的方向为x轴方向,指向一颗恒星的方向为y轴方向。)这里所说恒星,不包括相对较近的太阳。
3,研究地面附近(比如100千米高度内)物体的运动,可以使用上述坐标系,(采用万有引力而不采用重力表达式)。计算结果需要换算到地面坐标系时,运算量会比较大。如果不是很有必要,就不采用这个坐标系。这超出了目前高中物理的范围。
4,研究地面附近物体的运动,可以使用地面坐标系,用重力概念替代万有引力概念,牛顿第二定律等定律定理基本表述。比较简便。高中物理都是这么处理问题。缺点是,对于研究季风的形成等问题,这种处理无效。即使高中物理学得不错了,学习高中自然地理,仍然会发现很多知识由于物理知识不够而难于理解。
5,研究地面附近物体的运动,可以使用地面坐标系,用重力概念替代万有引力概念,同时引入科里奥利力这种虚拟力,使用牛顿第二定律的改造形式,得到更准确的结果。这超出了目前高中物理的范围。
学习高中物理阶段,关于参考系的选择,要明确:
1,要运用牛顿第二定律等定律定理研究问题,就必须选择适当的参考系。
2,地面坐标系,相对地面做匀速运动的坐标系,运用牛顿第二定律等定律定理可以用前者的时候,也可以用后者,虽然两个坐标系中,位置、位移、速度、动量、动能、功、功率等物理量取值可能不同。
3,判断滑动摩擦力的方向时,需要考虑研究对象相对所接触的物体的运动方向。不管所接触的这个物体是地面,是相对地面静止的物体,是相对地面匀速运动的物体,还是相对地面变速直线运动的物体,相对地面曲线运动的物体。

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