Номер 3, страница 81 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Механика. 3. Динамика материальной точки. Параграф 17. Принцип относительности Галилея - номер 3, страница 81.

Условие.

3. В чём отличие между инерциальной и неинерциальной системами отсчёта? Почему равномерное прямолинейное движение и состояние покоя физически эквивалентны и взаимозаменяемы лишь в инерциальных системах отсчёта?

Решение.

В чём отличие между инерциальной и неинерциальной системами отсчёта?

Основное отличие между инерциальной и неинерциальной системами отсчёта заключается в том, выполняются ли в них законы Ньютона, в частности, первый закон (закон инерции).

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это система, в которой тело, на которое не действуют никакие силы (или действие сил скомпенсировано), находится в состоянии покоя или движется прямолинейно и равномерно. То есть, в ИСО ускорение тела всегда вызвано действием реальных сил, и выполняется второй закон Ньютона в виде $ \vec{F} = m\vec{a} $, где $ \vec{F} $ — равнодействующая всех реальных сил. Все инерциальные системы отсчёта движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Неинерциальная система отсчёта (НСО) — это система, которая движется с ускорением относительно любой инерциальной системы. В такой системе закон инерции не выполняется. Тела могут изменять свою скорость (то есть получать ускорение) даже в отсутствие реальных сил. Для формального применения законов Ньютона в НСО вводят так называемые силы инерции (или фиктивные силы), такие как центробежная сила или сила Кориолиса. Эти силы не являются результатом взаимодействия с другими телами, а обусловлены ускоренным движением самой системы отсчёта.

Таким образом, ключевое отличие: в ИСО ускорение возникает только под действием реальных сил, а в НСО могут наблюдаться ускорения, не связанные с реальными взаимодействиями, что требует введения фиктивных сил для описания движения.

Ответ: Отличие состоит в том, что в инерциальных системах отсчёта выполняется первый закон Ньютона (закон инерции), а в неинерциальных — нет. В неинерциальных системах для описания движения необходимо вводить фиктивные силы (силы инерции).

Почему равномерное прямолинейное движение и состояние покоя физически эквивалентны и взаимозаменяемы лишь в инерциальных системах отсчёта?

Равномерное прямолинейное движение и состояние покоя физически эквивалентны и взаимозаменяемы только в инерциальных системах отсчёта в соответствии с принципом относительности Галилея. Этот принцип гласит, что все механические явления во всех инерциальных системах отсчёта протекают одинаково.

Это означает, что находясь внутри замкнутой системы (например, в каюте корабля или салоне самолёта), невозможно никакими механическими опытами определить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно. Состояние покоя — это частный случай равномерного прямолинейного движения со скоростью, равной нулю ($ \vec{v} = 0 $). Если одна ИСО покоится, то любая другая ИСО движется относительно неё с постоянной скоростью $ \vec{v} = \text{const} $. С точки зрения механики, выбор "покоящейся" системы отсчёта произволен, и все такие системы равноправны. Поэтому покой и равномерное прямолинейное движение неразличимы и взаимозаменяемы: тело, покоящееся в одной ИСО, будет двигаться равномерно и прямолинейно в другой ИСО.

В неинерциальных системах отсчёта эта эквивалентность нарушается. Поскольку НСО движется с ускорением, в ней возникают силы инерции. Эти силы позволяют наблюдателю внутри системы обнаружить её ускоренное движение. Например, при разгоне поезда пассажиров прижимает к спинке кресла, а при торможении они наклоняются вперёд. Маятник, подвешенный в ускоряющемся вагоне, отклонится от вертикали. Эти эффекты, вызванные силами инерции, однозначно отличают ускоренное движение от состояния покоя или равномерного движения. Следовательно, в НСО состояние покоя и равномерное движение не являются физически эквивалентными ускоренному движению, а значит, и друг другу в общем смысле, так как законы механики в них проявляются по-разному.

Ответ: Это следует из принципа относительности Галилея, который справедлив только для инерциальных систем отсчёта. В таких системах все механические процессы протекают одинаково, и никакими внутренними экспериментами нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения. В неинерциальных системах возникают силы инерции, которые позволяют обнаружить ускорение системы, нарушая эквивалентность между покоем и движением.