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   惯性力学与整体科学体系      ★★★ 【字体: 】  
惯性力学与整体科学体系
收集整理:佚名    来源:本站整理  时间:2009-01-10 12:53:41   点击数:[]    


三、惯性力学及其例题
在中学教材中,加速度可直接用一个字母来表示。ρ梯度与加速度一样,也可直接用一个字母来表示,设定其字母为P,其物理单位名称为“坦”。为了遵从现在教科书的习惯,力的物理单位仍用“牛顿”。那么,广义惯性力定律需要乘上量纲系数k,运动定律需要乘上k的倒数。在计算习题时,可设量纲系数为1。物体内外空间的ρ梯度,以下简称内P与外P。惯三律可以改写为以下形式:
①广义惯性定律:物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。
②广义惯性力定律:F=kmP内
③广义惯性运动定律:P外-P内=1/k×a
惯三律的运动定律:其三个矢量在同一条直线上,并且方向相同;如有一矢量方向相反,则变正负符号;如有一矢量不在其直线上,依习题具体情况有时可用矢量分解的角度化为其直线上的矢量。值得注意的是,P矢量的垂直方向,该P矢量为零。特别值得注意的是,由于设量纲系数为1,绝对值a有物理意义的双重性,有时表示P值,有时又表示物体的加速度值。原来牛顿力学中也隐含这双重性,但没有P物理量之前,其物理涵义是混乱、自相矛盾或是错误的。在做习题时,一定要依题意,来决定双重性的哪一方,比如当外P=g时,有时仅表示以单位为坦的重力场的强度值,有时仅表示以单位为加速度的自由落体运动的值,这时的g就不能再乘质量了。当物体内p=g时,表示物体处在相对重力场的静止及平动状态,仍需要以“坦”为单位来计算,表示物体处在非广义惯性运动状态,(准非广义惯性运动状态则是非g值的不自由落体加速运动状态)这时物体必有广义惯性力(重力)与其反作用的真正的外力存在。
由于惯三律取代了牛二律的理论核心地位,当然,其解题思路及解法也具有取代性。惯三律与牛顿力学的解题思路及解法的区别的关键就在于:合外力的解法,在今后仍可继续运用。但在针对某一物体的受力分析过程中,该物体的质量与其内部的ρ梯度值的乘积值仅是该物体的广义惯性力的值,其力的反作用力,才是真正的合外力。牛顿惯性力、惯性离心力、科里奥利力与重力都是真实的该物体的广义惯性力。
例题1:
一辆装满水的车厢以恒加速度a1=10m/s2在水平轨道上运动,一个质量为m=2kg且运动方向(以车厢为参考系)的加速度为a2=8√2m/s2的小球从车厢上部落下(不接触车厢壁),求小球的阻力f及其与垂直线的夹角θ。(示意图略)
解:地面重力场P1=10(坦)。
(1) 水平方向的车厢外P1=0,其内P为P2,依运动定律,P1-P2=a1,即-P2=a1=10(坦)。(2)垂直方向的车厢内P3及车厢加速度a3,依运动定律,P1-P3=a3,因其相对地面平动,a3=0,即P1=P3=10(坦)。(3)车厢合内P42=P22+P32=102+102=200,即P4=10√2(坦);夹角由tgθ=p2:p3=10:10=1,得θ=450。(4)小球外P4,小球内P5,P4方向,依运动定律,P4-P5=a2,即P5=P4-a2=10√2-8√2=2√2(坦)。依广义惯性力定律,F=mP5=2×2√2=4√2,又依互为作用力定律,f=-F,即f=4√2(牛顿)。答:略。注:如把惯三律的一些特殊情况转化为一系列推论,直接用其推论,则解题步骤将很简单。
例题2:
一架质量为m=5000kg的飞机,在竖直环行轨道上以速度v=100m/s飞行,求:(a)环行轨道的可能的最大半径r;(b)在其环行轨道最低点处作用于飞机上的升力f。(示意图略)
解:(a)在可能的最大半径的环行轨道的最高点处,飞机的内P=0,飞机的外P=g=10(坦),依运动定律,P外—P内=a,故P外=a =10(米/秒2),而a=v2/r,故P外=v2/r,r=v2/P外=1002/10=1000(米)。(b)在此轨道最低点处,依运动定律,P外-P内=-v2/r,故P内=P外+v2/r=10+1002/1000=200(坦),依广义惯性力定律,F=m P内 =5000×20=105,又依互为作用力定律,F=-f,得f=105(牛顿)。答:(略)。
注:例题1中的车厢内有一半水的情况下,水面是斜面,其合内P4垂直其水面。而水中有压强梯度,则表象说明了车厢内的ρ空间。但合内P4不直接等于水的压强梯度,虽然其方向相同。这是抽象命题转化为经验命题的问题,其合内P4与其水的压强梯度之间有调整系数。车厢内如果是真空(或有空气阻力略)的情况下,车厢内只有P1,小球相对地面是自由落体运动,没有外力作用之(判别标准之一),小球内P为零。所以,此真空情况下的习题没有求阻力的问题,是纯运动学问题。如果小球有悬线系在车厢顶上,不论车厢内有水还是真空情况下,小球会相对车厢静止,小球质量部分的空间与车厢质量部分的空间是合为一体的空间,要计算此题,需要把重力场P1与车厢水平加速度a1共同“直接”转换为小球两内P,再计算其合内P,再求其广义惯性力及悬线张力。例题1是平动方面的解法,例题2是转动方面的解法。而转动方面的解法,有时也需要换作内P=v2/r,及也可内P=ω2/r、内P=2ωv、再用合内P方法来求解。读者如果有兴趣,也可以合内P的角度用高中数学来推导此环行轨道任意点的广义惯性力的公式。
另外,教材中的机械能部分也应该作相应的调整。势能公式中的g换为内P1,即E=Mp1h。如果不换,其实质涵义是质量为m的物体正在做自由落体运动,其公式仅表示物体变化的动

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