惯性力学与整体科学体系(3)
作者：佚名； 更新时间：2014-12-10
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能。惯三律的运动定律对距离的积分后再乘上质量的数学式，正是惯性力学的机械能守恒定律，然而这已是大学物理教材的内容了。由于广义惯性取代了牛顿惯性的理论核心地位，力学体系的结构也须重新调整。由于力概念分为作用方式力与属性力，力学体系的结构也应有这两部分相对独立的内容。属性力学仍然包含惯性力学、弹性力学、电磁力学。实际上有些应用力学，如爆炸力学等，也属于属性力学范畴。以往把引力定律作为牛顿力学的核心命题来运用则是错误的，因为引力定律仅是经验公式。当然，引力定律在惯性力学这里也是经验性质的命题，仅具有特殊例题的地位；
四、引力与重力场
（一）惯三律与引力定律
在惯三律这里，引力定律的运用分两种情况：一种是物体的内P=0，物体的加速度a≠0，其外P=kM0/r2（k为引力常数，M0为重力场的中心物体的质量）的情况，也就是物体在重力场中正处于广义惯性运动状态的情况，其外P=kM0/r2的涵义是表示重力场强度及其强度的分布状态。在以往，外P=kM0/r2这一公式是由引力定律和所谓的引力质量与惯性质量相等的角度得来的；另一种是在物体的加速度a=0，物体的内P≠0，其外P=kM0/r2的情况，也就是物体在重力场中正处于非广义惯性运动状态的情况。由此种情况再利用惯三律就导出了引力定律。由于天体的运动一般都是广义惯性运动，所以引力定律在天文学中的运用，仅适合于第一种情况。然而遗憾的是，以牛顿三定律与引力定律为出发点的天体力学，虽然在实际应用方面，有部分内容已经按第一种情况来计算了，但仍然是引力涵义的理解。还有相当部分的内容是按第二种情况来计算的。按引力涵义理解的第二种情况而得出的一些天文学的结论则是错的，比如：两个天体绕公共质心旋转问题，这是只有在ρ均匀空间的前提下才成立的问题，而在ρ非均匀空间（重力场）的前提下，此问题不成立。有的天体演化假说竟可以说公转的天体能被中心天体的引力吸出个包来，岂不可笑。可以说，以相互作用力的角度而运用引力定律的天文学的许多结论，几乎都要成问题。
当说到平稳地落在金星地表面上的探测器是由于其巨大的大气压而压“扁”的时候（由此理不能压扁），实质是由于金星地表面的ρ梯度值非常大，以至在探测器的质量部分的内部形成了巨大的胁强，从而就象地球的地面上的“面团”变扁的原因一样，而变扁了。这说明了金星表面重力值大大地超过了地球表面重力值。而金星质量小于地球质量，可见引力定律适用的近似性、局限性及经验性，说明了引力的理解也是错的，也说明了重力场
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能。惯三律的运动定律对距离的积分后再乘上质量的数学式，正是惯性力学的机械能守恒定律，然而这已是大学物理教材的内容了。由于广义惯性取代了牛顿惯性的理论核心地位，力学体系的结构也须重新调整。由于力概念分为作用方式力与属性力，力学体系的结构也应有这两部分相对独立的内容。属性力学仍然包含惯性力学、弹性力学、电磁力学。实际上有些应用力学，如爆炸力学等，也属于属性力学范畴。以往把引力定律作为牛顿力学的核心命题来运用则是错误的，因为引力定律仅是经验公式。当然，引力定律在惯性力学这里也是经验性质的命题，仅具有特殊例题的地位；
四、引力与重力场
（一）惯三律与引力定律
在惯三律这里，引力定律的运用分两种情况：一种是物体的内P=0，物体的加速度a≠0，其外P=kM0/r2（k为引力常数，M0为重力场的中心物体的质量）的情况，也就是物体在重力场中正处于广义惯性运动状态的情况，其外P=kM0/r2的涵义是表示重力场强度及其强度的分布状态。在以往，外P=kM0/r2这一公式是由引力定律和所谓的引力质量与惯性质量相等的角度得来的；另一种是在物体的加速度a=0，物体的内P≠0，其外P=kM0/r2的情况，也就是物体在重力场中正处于非广义惯性运动状态的情况。由此种情况再利用惯三律就导出了引力定律。由于天体的运动一般都是广义惯性运动，所以引力定律在天文学中的运用，仅适合于第一种情况。然而遗憾的是，以牛顿三定律与引力定律为出发点的天体力学，虽然在实际应用方面，有部分内容已经按第一种情况来计算了，但仍然是引力涵义的理解。还有相当部分的内容是按第二种情况来计算的。按引力涵义理解的第二种情况而得出的一些天文学的结论则是错的，比如：两个天体绕公共质心旋转问题，这是只有在ρ均匀空间的前提下才成立的问题，而在ρ非均匀空间（重力场）的前提下，此问题不成立。有的天体演化假说竟可以说公转的天体能被中心天体的引力吸出个包来，岂不可笑。可以说，以相互作用力的角度而运用引力定律的天文学的许多结论，几乎都要成问题。
当说到平稳地落在金星地表面上的探测器是由于其巨大的大气压而压“扁”的时候（由此理不能压扁），实质是由于金星地表面的ρ梯度值非常大，以至在探测器的质量部分的内部形成了巨大的胁强，从而就象地球的地面上的“面团”变扁的原因一样，而变扁了。这说明了金星表面重力值大大地超过了地球表面重力值。而金星质量小于地球质量，可见引力定律适用的近似性、局限性及经验性，说明了引力的理解也是错的，也说明了重力场
上一篇：21世纪强磁场应用的展望
下一篇：力的本质是能量交换和趋势