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在S系中无论是哪两个质点,无论各自处于何种运动状态,无论其间距离r为多大,G是相同的常量.同样,在S′系无论是哪两个质点,无论各自处于何种运动状态,无论其间距离r′为多大,G′是相同的常量.取两个特定的质点,处于一组特殊的状态,来确定G与G′的关系.万有引力公式中的质量已等效处理成惯性质量,这两个质点在S,S′系的质量相同,即已有.先将这两个质点静放在S系中相距r,测得其间引力大小为F,再将它们静放在S′系中相距r′=r,测得其间引力大小为F′.系统在S系的状态与在S′系的状态相同,据相对性原理,必有F=F′,于是得
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即引力常量G是惯性系不变量.
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电相互作用内容丰富,不作全面讨论,只考虑其中的库仑定律.前已指出,库仑定律只适用于“施力电荷”Q是静电荷的情况,这与牛顿万有引力定律是不同的.库仑定律中,真空介电常量ε0是力常量,作为实验的总结,定律必能在某个参考系中成立,在此参考系中无论对哪一个“施力电荷”Q和哪一个静止的或运动的“受力电荷”q,ε0是相同的常量.假设库仑定律符合经典力学相对性原理要求,那么在惯性系S中ε0是相同常量,在惯性S′中也是相同常量.为获得ε0与间的关系,任取一对“施力电荷”和“受力电荷”,在S系中令两者均处于静止状态,电量分别为Q,q,若在S′系中两者都处于静止状态,各自电量必为Q′=Q,q′=q,这也意味着S,S′系电量单位一致.在S系中两者相距r,库仑力大小为
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在S′系中使两者也相距r′=r,库仑力大小为
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据相对性原理要求,必有F=F′,即得
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这表明,如果库仑定律符合经典力学相对性原理要求,那么真空介电常量ε0,作为力常量,必定是惯性系不变量.
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力学(物理类) 2.4 惯性力
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牛顿第二定律和它的时空定量展开,即冲量—动量关系、功—能关系、力矩—角动关系,将构成牛顿力学的主体内容.惯性系中各类力学问题的定量处理,多是依据第二定律和这三个基本关系进行的.非惯性系中第二定律不成立,质点质量m与质点在非惯性系加速度a′的乘积,不等于质点所受真实力F.如果引入虚拟的或者说假想的力F虚,使得
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能满足关系式
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上式的数学内容与第二定律同构.因此便可将第二定律及其时空展开关系移用到非惯性系,直接处理非惯性系中出现的若干力学问题,不必事事都还原到惯性系去处理.需要注意的只是F虚并非真实力,不存在第三定律提及的反作用力.虚拟力F虚又常称为惯性力,F虚与真实力F之和F′称为表观力.
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经常会接触到变速平动非惯性系,在直轨道上变速行驶的列车便是一例,后文将涉及的质心系又是一例.考虑到地球的自转,地面参考系其实是匀速旋转非惯性系.这两类参考系中要引入的惯性力分别是平移惯性力和惯性离心力、科里奥利力.
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2.4.1 平移惯性力
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设非惯性系S′相对于惯性系S作变速平动,如图2-16所示,图中加速度a0未必是常矢量.质点m相对于S系的加速度设为a,S系据牛顿第二定律判定质点受真实力
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