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解答離心力的幾個困惑

大家在實際的學習和生活當中,或多或少都聽說過離心力這個說法,那麼,到底什麼是離心力呢?關於離心力我們強調幾點。

一是在通常的語言環境當中,或者說在慣性參考系當中,離心力並不是真實存在的力。

二是在非慣性參考系下(如旋轉參考系)需要有慣性力,否則牛頓運動定律不能使用。舉例說明一下:如果一個圍繞中心旋轉的圓盤,角速度為ω。在圓盤上有一個質量為m木塊,木塊由繩子連線,繩子的另一端固定在圓盤的中心,繩長為r。木塊隨圓盤一同轉動,假設沒有任何摩擦力,木塊的向心力就是繩子的拉力。此時,如果有一個觀察者坐在圓盤上,和木塊一同轉動,那麼,在觀察者看來,木塊是靜止的。但木塊是受到了繩子的拉力,這與木塊是靜止是矛盾的?怎麼理解呢?牛頓定律只有在慣性系下才成立,但是隨圓盤一同轉動的觀察者所在的參考系是非慣性系,所以牛頓定律在這裡不成立。為了使牛頓定律在非慣性系下仍然成立,那麼就需要引用一個慣性力,即所謂的離心力。離心力的大小與繩子提供的拉力相等,但方向與之相反。此時木塊靜止,牛頓定律成立。

三是我們還可以這樣來理解離心力。汽車轉彎時,乘客由於同樣隨著車子做轉彎運動,會受到車子向乘客提供的向心力,但是若以乘客為參照系,由於該參照系為非慣性系,他會受到與他相對靜止的車子給他的一個指向圓心的向心力作用,但同時他也會給車子一個反向等大,由圓心指向外的力,這個力就是所謂的離心力。

四是離心力是一種慣性的表現。為使物體做圓周運動,物體需要受到一個指向圓心的力——即向心力。若以此物體為原點建立座標,看起來就好像有一股與向心力大小相同方向相反的力,使物體向遠離圓周運動圓心的方向運動。(當物體受力不足以提供圓周運動所需向心力時,看起來就好像離心力大於向心力了,物體會做遠離圓心的運動,這種現象叫做“離心現象”。)

五是怎麼證明離心力是不存在的?若離心力存在,則與向心力相平衡,物體受力平衡,速度方向不會改變,是平衡態,不可能做圓周運動,所以證明離心力並不存在。離心力並不存在,其實也比較好想,是因為這個力就沒有施力物體,所以當然不會存在了。

六是所謂離心力或者“慣性力”只存在於非慣性系,是一種虛擬力,是為了將牛頓定律推廣到非慣性系上使用而虛擬的一種力,在加上這樣的虛擬力後除了牛頓第三定律外,牛頓力學中的各種定律、定理在非慣性系上都可以得以運用。

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分類: 美食
時間: 2022-02-06

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