（四）惯性参考系   

物理教科书对惯性参考系作如下定义：“能使牛顿第一、第二定律成立的参考系称为惯性参考系；相对于惯性参考系作匀速直线运动的参考系也是惯性参考系。”其实惯性系不止适用牛顿第一、第二定律，还适用牛顿第三定律。

对于教科书上的惯性系定义，总觉得有点别扭。应用教科书的定义，我们设定和使用一个惯性系时，先要通过牛顿定律检验确定，然后再应用牛顿定律处理问题。惯性运动的物体主要是作匀速直线运动的，为什么不说匀速直线运动的物体上设立坐标系的参考系是惯性系呢，问题就出在这个匀速直线运动相对“谁”而言不好说。于是来一个立足旁证后发释义，先用牛顿第一、第二定律的成立确定一个惯性系，然后再补充，说相对这个惯性系如何如何的还是惯性系，避而不谈首先提到的惯性系处于何种运动状态。本来，惯性系是为了应用牛顿定律设定的场所，就应该首先选取惯性系，然后再来运作牛顿定律在惯性系中研究物体上的具体应用；然而按照现有惯性系定义，似乎成了先检验再应用或不管什么样参考系等牛顿定律应用是否适当再确定是否惯性系。

物体的运动分惯性运动和非惯性运动。当参考系物体处于惯性运动时，参考系便跟惯性联系起来，产生了惯性参考系的概念。当参考系物体作匀加速运动时，便成了非惯性参考系。由于惯性可能处于静止（地面或相对地面静止的物体）状态也可能处于匀速直线运动状态，惯性系又分为静惯性系和动惯性系。非惯性系也因加速度形式不同分为直线运动非惯性系和曲线运动非惯性系。惯性系与非惯性系相比，只能说简单而不能说优越。惯性系中物体可作非惯性运动，如在惯性系中应用牛顿第二定律解决物体加速运动的问题。非惯性系中的物体也可作惯性运动，凡在非惯性系不受非惯性系约束的物体仍保持原来的惯性运动，如火车加速时光滑茶桌上向后加速运动的小球。

有人说，在实际生活中真正的惯性系是不存在的，因为没有绝对的匀速直线运动。是的，根本找不到绝对的匀速直线运动的物体，然而就算能找到又有什么特别的用处呢？我们为什么非得绝对的匀速直线运动并以此来衡量惯性系呢？近似的难道不行吗？近似的匀速直线运动还能说是虚假的惯性运动吗？匀速直线是一种理想化界线，物体运动只能接近而不能达到这个界线，因而求之不得下退而求其次也就认可近似的匀速直线运动。世界上哪个物理量是不近似的，你能拿出绝对的没有误差的一尺长和绝对的一秒钟时间吗？任何物理量都有误差，不切实际的要求绝对性既办不到又没有必要。宇宙中不受力的物体是没有的。惯性系物体不是不受力的物体，而是合外力近似为零的物体。除地球月球等天体为惯性系外，一般物体为惯性系由于物体很小，被认为此惯性系是没有引力的，实际是对它的极微小引力忽略不计。

因为任何物体都在运动，所以动惯性系好说，静惯性系不好说。实际上，除了相对基本参考系外，惯性系的静止在本参考系中，本参考系中物体相对本参考系物体存在着静止或运动。物体系统中的相对静止随处都在，动惯性系中不运动的物体即以动惯性系为静止。一般说来，一个运动物体不能视为质点时，它就可能成为一个动惯性系。当运动物体可视为质点时，一个研究物体对应一个静惯性系；当物体不能视为质点要看作动惯性系时，这个动惯性系一定有一个或几个内部运动的质点为研究对象和一个静惯性系为参照。对于动惯性系，若找不到对应的静惯性系，就看地面好了。

人们在应用中还是很容易选取静惯性系，如研究地面上物体在小范围内的运动时，大于物体运动范围的地面就是静惯性系；从更大的运动范围说静参考系，研究卫星的运动时，地球是静惯性系；研究太阳系中天体或飞船的运动时，太阳是静惯性系。因此我们可以作惯性系的定义：相对地面静止或匀速直线运动的参考系是惯性系。若这样定义不够用，就说相对太阳作匀速直线运动的参考系是惯性系；再不够用就说相对银河系作匀速直线运动的参考系是惯性系。这样说惯性系有相对不同级别或层次的“谁”，因相对的“谁”总是存在从而令惯性系有成立的理由和根据，但还是有嫌麻烦，用前节提出的基本参考系定义就好了。即这样定义惯性系：相对基本参考系静止或作匀速直线运动的参考系是惯性系；如要省略简捷直截了当地定义，可说：静止或作匀速直线运动的参考系是惯性系。

地球绕太阳转动不是严格的匀速圆周运动，但可近似地认为是匀速圆周的惯性运动，由于地球运动产生惯性离心力与太阳引力基本平衡，地球运动方向上基本没有力的作用，所以把地球看作惯性参考系。还有一种是人造的动力机械主要是交通工具，在动力和阻力平衡时作近似的匀速直线运动，这种近似的惯性运动在小范围短时间内是可取的，所以有时也用到。从经验和事实上说，还没有哪种研究要求极长的路程和时间内的匀速直线运动。不严格的惯性运动在宏观物体的运动中足够用，主张真正惯性系者其实也不知道什么样的运动和力学问题要求惯性系的绝对和精准。

惯性系是在静止或作匀速直线运动的物体上设立坐标系的新事物，或可说是一个物理与数学结合的理论工具，但不能说是物理模型；惯性系是具体参考系的理想化的期望，也不能说是一个理想化的模型。

注：本文是关于参考系的较长篇幅文章中的一节，因本坛高手林立，大家不喜欢长篇大论，所以把其中的几节先拿出发表。

作者：郭连成

2013年5月14日 于吉林扶余