不得不知的“參考系”

參照物和參考系都是為了描述物體的運(yùn)動引入的基本概念。

那么，參考系和參照物有什么不同？生活中又有哪些現(xiàn)象可以用物理學(xué)中的參考系解釋？新課標(biāo)高中教材中哪些概念需要用參考系來解釋？高中物理習(xí)題中哪些涉及巧取參考系來解題？

要描述物體的運(yùn)動首先要選定參照物，即為了描述物體的運(yùn)動而選定被參照的物體稱為參照物。

參考系是參照物與坐標(biāo)系的總稱，有時簡單地把參照物稱參考系。而參考系曾作參照系，據(jù)全國自然科學(xué)名詞審定委員會1988年公布的《物理學(xué)名詞（基礎(chǔ)物理學(xué)部分）》規(guī)定，參考系不稱為參照系而改名為參考系。

所以，為了準(zhǔn)確地描述物體的運(yùn)動而被選定參考的物體的名稱經(jīng)歷了由參照物到參照系再到參考系的過程。

1.靜止的子彈

第一次世界大戰(zhàn)期間，一名法國飛行員駕機(jī)正在12000米的高空飛行。突然，他發(fā)現(xiàn)機(jī)艙外有一只“小蟲”正在緩慢向前“蠕動”。他敏捷地伸手一抓。啊！原來不是小蟲，而是一顆德國子彈！這是相對靜止的典型事例。

如果飛機(jī)在高空飛行時和子彈具有相同的對地速度，如果飛行員選取子彈為參考系，飛行員和子彈是相對靜止的。如果學(xué)過了參考系的基本概念，飛行員手抓子彈的事情就不足為奇了。

2.刻舟求劍

楚國有個渡江的人，他的劍從船上掉到水里，他急忙在船沿上用刀在掉劍的地方做了個記號，說：“這是我的劍掉下去的地方。”船到目的地后，這個楚國人立即從他刻記號的地方跳到水里尋找劍。

船已經(jīng)航行了，但是劍沒有行進(jìn)，像這樣尋找劍，不是很糊涂嗎？學(xué)過參考系的知識之后就不會犯這樣的錯誤了。

選取合適的參考系，一方面有助于清晰而簡潔地描述物體的運(yùn)動情況；另一方面，合適的參考系也有助于簡化解題過程，甚至可以突破一些在一般參考系下無法解決的物理問題。下面從兩個方面談?wù)剠⒖枷档淖饔茫?/p>

1.參考系在教材中的知識體現(xiàn)

①在高中物理新課標(biāo)必修一“相互作用”章節(jié)中講解摩擦力定義時，關(guān)于摩擦力定義中的“相對”就是參考系的重要應(yīng)用，即判斷靜摩擦和滑動摩擦方向時，可以直接選取與研究物體相接處的另一物體作為參考系，判斷相對運(yùn)動或者相對運(yùn)動趨勢方向，進(jìn)而快捷準(zhǔn)確判斷摩擦力的方向。

②在高中物理新課標(biāo)必修一“牛頓運(yùn)動定律”章節(jié)中講解了牛頓第一定律成立的條件是在慣性參考系中，即物體在不受力時保持靜止或者保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，這樣的參考系成為慣性參考系，簡稱慣性系。

如果以加速運(yùn)動的物體作為參考系，牛頓第一定律并不成立，這樣的參考系叫作非慣性系，即我們討論的參考系包括慣性系和非慣性系兩類。

高中階段我們研究物體的運(yùn)動時，一般可以把地面看作慣性系，相對地面靜止或者勻速直線運(yùn)動的物體也可以看作是慣性系。

③在平拋運(yùn)動學(xué)習(xí)中，從地面上看到從飛機(jī)上拋出的物體的運(yùn)動性質(zhì)是拋體運(yùn)動，若飛機(jī)上的飛行員向下看拋出去的物體的運(yùn)動性質(zhì)為自由落體運(yùn)動，即參考系選擇不同，得到物體的運(yùn)動性質(zhì)可能也不同。

2.參考系在習(xí)題中模型體現(xiàn)

①在運(yùn)動學(xué)中研究兩個運(yùn)動物體中一個物體相對于另一個物體的運(yùn)動方向及運(yùn)動性質(zhì)。

例題：兩位雜技演員，甲從高處自由落下的同時乙從蹦床上豎直跳起，結(jié)果兩個同時落到蹦床上，若以演員自己為參考系，此過程中甲看到對方的運(yùn)動情況是：乙一直朝上運(yùn)動。

分析：乙上升過程中，甲、乙間距越來越小，故甲看到乙向上運(yùn)動；乙下降過程中，因甲的速度仍然大于乙的速度，甲、乙間距仍然變小，故甲看到乙還是向上運(yùn)動。

②講解關(guān)于摩擦力方向判斷相關(guān)習(xí)題。例如，人爬竹竿過程，應(yīng)選取與受力對象接觸的另一個物體為參考系；再如判斷水平傳送帶上初速度為零的小滑塊的相對靜止前滑動摩擦力的方向時（找相對運(yùn)動的方向時），需巧取參考系來研究物體相對的運(yùn)動性質(zhì)；又如轉(zhuǎn)盤上小物塊用細(xì)繩拴接模型，當(dāng)轉(zhuǎn)盤豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動時，物塊有相對于盤向外運(yùn)動的趨勢，摩擦力指向圓心，當(dāng)達(dá)到最大靜摩擦力時細(xì)繩繃緊提供拉力，產(chǎn)生向心力。

③講解圓周運(yùn)動時，角速度是描述圓周運(yùn)動的一個重要物理量。在“天體運(yùn)動”這章中，兩個衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的時候，選取其中運(yùn)動的一個衛(wèi)星為參考系，利用相對角速度解題是很方便的。

例如，如下圖所示A、B兩行星在同一平面內(nèi)繞同一顆恒星運(yùn)動，運(yùn)動的方向相同，A、B兩行星的軌道半徑分別為r1、r2，已知恒星的質(zhì)量為M，且恒星對兩行星的引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩行星間的引力，兩行星的軌道半徑r1、r2，若在某一時刻兩行星相聚最近，試求：

（1）經(jīng)多長時間兩行星相距最遠(yuǎn)？

（2）經(jīng)多長時間兩行星相距最近？

在這類航天運(yùn)動問題中，兩顆衛(wèi)星跟地心從初始的三點(diǎn)共線到后來相距最遠(yuǎn)的三點(diǎn)共線，至少在空間上相距π相位，即等于他們之間的相對角速度“ω1-ω2”，選擇轉(zhuǎn)動較慢的衛(wèi)星為參考系與時間的t的乘積，有t=π/（ω1-ω2）。同理可以用相對角速度的思路求解相距最近的問題。

總之，參考系對物體運(yùn)動性質(zhì)的確定和具體解題都有著重要的意義，只有了解和掌握參考系才能在處理實(shí)際問題中恰當(dāng)選取參考系，進(jìn)而將復(fù)雜的問題簡單化，最終達(dá)到化繁為簡、事半功倍的效果。