广义相对论第一个基本原理:在惯性系S中有一引力场a,而另一个参考系S’无引力场,但以-a相对S做加速运动。这两个参考系在物理上是完全等效的。即无法在一个参考系中确定该系统是受一引力场作用还是无引力场作用而相对惯性系做加速运动。
这段话在“3.0非惯性系质点动力学”中已经提到,也在“3.0问题A:运动斜面上的物体”中给出了运用的例子。
这篇描述如何在复杂的场问题中找到等效场并分析运动。
我们首先从单摆模型看起:
绳子上端固定,下端连接一个小球,小球质量为m,将小球拉起,使绳子与竖直夹角为θ,此为初始时刻,放下小球,问小球如何运动?重力加速度g向下。
众所周知,小球会在这个绿线上来回摆动,其竖直虚线为平衡位置,这背后也遵循着一个物理原理:能量守恒。小球摆动最高的位置不会超过其初始高度,现实中会有摩擦力的存在,所以小球来回摆动达到最高点的高度会越来越低。
这也有着一个非常现实的实验:一瓶水挂在绳子上,绳子固定在天花板或者其他高处,把瓶子拉起来拉到鼻梁处,绳子此时也要绷紧,然后放手,瓶子来回摆动是不会碰到鼻子的。这个实验的要点是放手,而不是用手推瓶子,用手推瓶子做实验的人被瓶子砸到可以去面壁思过了。
本文是等效场,所以我们把情况变得一般一点,空间中存在一个向下的加速度a,而不是重力加速度g,我们再分析过后,结果并没有改变,仍然是在这个范围内摆动。
所以说我们等效的其实是加速度,加速度从何而来,由F=ma,就知道加速度当然是从力来的。
在现实生活中呢,空气是流动的,形成风,就有风压(被风吹跑),水也是流动的,也有水压(被水冲走)。他们都是流体,如果流速稳定,那么就形成一个稳定的压强,如果将单摆模型放入流速恒定v的流体中(速度v方向与θ所在面平行),那么小球就相当于始终受到一个恒力(F=pS),如图:
始终受到一个恒力就相当于有一个额外的加速度,于是合成一个等效场:
于是小球就会以等效场a0为平衡位置做摆动:
同样,小球的内禀属性如果再加一个电荷q,并且外加电场(电场E方向与θ所在面平行),小球还受到一个电场力,这类问题比较常见,实质上和流体差不多,这里就只给出图,过程可自行分析。
但是呢,额外场不一定是水平的,也可能是斜着的。
最后,我们回归非惯性系,把这个单摆放在一个以加速度a’水平运动(运动方向与θ所在面平行)的车/船/飞机上。
加速运动的车/船/飞机是非惯性系,在这个参考系中引入与a’方向相反的惯性力-ma’,对应其加速度为-a’,合成为等效场(加速度)为a+a’。
于是小球的平衡位置是沿a0方向,那么小球摆动的范围为如下图的红线范围内: