浅谈高中物理教学中的惯性系问题

根据现在的高考考试大纲，中学物理对惯性系和非惯性系是不作明确要求的.教师在进行牛顿定律的教学时，一般只会提到牛顿定律适用于惯性系，却不会深究.但是，如果学生对其概念认识不清，就会在解题中出现思路混乱以致错解的现象.而且，在中学生物理竞赛和近几年的高校自主招生考试中，该内容又是包括在内的.因此，有必要就高中物理中的惯性系问题进行系统的讨论，这对高中物理的教学具有重要的意义.

1 牛顿定律只适用于惯性系，这就使得其他力学定律的适用条件也是惯性系

所谓惯性系是指在这个参考系中观察，一个不受外力作用的质点将保持静止或匀速直线运动，也就是满足牛顿第一定律的参考系.牛顿第二定律只适用于惯性系，但如引入惯性力，对非惯性系也可以在形式上利用牛顿第二定律.在经典力学中，牛顿第三定律既可用于惯性系也可用于非惯性系.

在牛顿三大定律的基础上，经过数学推导可以得出动量定理、动能定理、动量守恒定律以及机械能守恒定律，因此在使用其他力学定律解决力学问题时，也必须以惯性系作为参考系.

例1 如图1，水平地面上放一个高为H质量为M的静止斜面，一个质量为m的静止物体从斜面顶部开始下滑，试求出m滑到最低位置时的速度大小v.假设题中各接触面都光滑.

错解 以M为参考系，m在下滑过程只受到重力和斜面对它的弹力，而且弹力与m运动方向垂直，弹力不做功，于是满足机械能守恒定律：

分析 M在m的压力作用下，向左做加速运动，故其不属于惯性系.而机械能守恒定律的适用条件是惯性系，所以这里不能以M为参考系.

正确解法是以地面为参考系，把M和m整体作为研究对象，利用机械能守恒定律和水平方向的动量守恒定律就可以求解.

2 中学物理中一般都以地心或者地面作为惯性参照系

由于地球绕太阳公转，地心相对于太阳有法向加速度，所以地心参考系不是惯性系，但是该加速度不及地球上重力加速度的1‰，于是在粗略研究人造卫星运动时，就可以利用地心参考系系.

因地球在不停的自转，故地面参考系也不是惯性系，但其自转的最大向心加速度不超过3.4×10-2 m/s2（赤道上），所以地面参考系也可以近似地看成惯性系.

例2 设地球质量为M，半径为R，离地面h处有一个质量为m的物体.M只在地球引力作用下从静止自由下落.假设h和m都很小（hR，mM），试求出从m开始下落到它们相碰所用的时间t.