登录站点

用户名

密码

运动力场存在的实验依据

2已有 930 次阅读  2011-10-10 16:26   标签运动  xml  office  style  class 

第三节 运动力场存在的实验依据

物理是一门以观察、实验为基础的科学。人们的许多物理知识都是通过观察和实验认真地加以总结和思索得来的。一个假说是否有生命力,必须经得起实验的检验。爱因斯坦相对论之所以闻名于世,是因为他提出的三项试验(水星轨道运动的反常现象,巨大星体所发射的光谱中红外线位移以及靠近太阳处的星光折射)被观测所证实。然而,这三大实验的观测结果与爱因斯坦理论又不尽相符,有的出入还非常大,以致于不少物理学家都试图否定相对论。况且以上三项试验,还有其它理论可以解释。

那么,用类比方法推导出的运动力场基本原理,能否用实验来验证呢?下面从自然界中最常见的现象和理论力学中存在的矛盾出发来分析、验证运动力场存在的真实性。

一、惯性力

在理论力学中存在着一种矛盾的力,它既真实存在,又是假想的力,这就是惯性力。在理论力学中是这样描述惯性力的:对于地球这个非惯性参照系来说,存在两个惯性力,即惯性离心力和科里奥利力。贸易风的存在、铁路轨道的磨损和河岸的冲刷以及炮击不准都说明科里奥利力真实存在。那又为什么说它是假想的,不是真正的力呢?因为它是在处理非惯性系统中的力学问题时,为了也可以应用牛顿定律(本来不能用)而加上去的假想的力。要说明它不是真正的力是很容易的。惯性力没有反作用力,于是不符合牛顿第三定律,当然也就不是真正的力了。12

物理学中为什么会出现这样一种矛盾的力呢?由于地球自转产生的惯性力到底是假想的力,还是真正的力?如果不是真正的力,又如何能够作用于物体,体现出力的作用效果呢?现有的物理理论不能作出解释。我们只有追根朔源,寻找问题的真正答案。下面我们运用运动力场的基本原理来分析,看看地球自转到底产生了什么效果。

我们生活的地球是一个很好的实验体,关于运动力场的演示实验在不停地进行之中。根据运动力场的基本原理,我们来分析地球自转产生的运动力场以及对运动物体的作用情况。

对于绕轴自转的地球,我们可以把它看成是由半径不同的无数条绕轴流动的物质流线组成的。根据右手螺旋定则,用右手握住地球仪,让弯曲四指的方向与地球自转方向一致,大拇指的指向则为地球自转产生的运动力场方向。根据右手螺旋定则判断出:在地球内部,由于地球自转产生的运动力场方向沿自转轴由南向北,与自转角速度矢量的方向一致。

对于在地球上的运动物体受到地球自转产生的运动力场的作用力方向,可以根据左手定则来判断,伸开左手,使大拇指与其余四指垂直并在同一平面上,让运动力线垂直穿过掌心,使四指指向物体的运动方向,那么,大拇指的指向即为运动物体受到的运动力的方向。根据左手定则,北半球地面附近自北向南的气流,要受到向西的运动力的作用,而有了朝西的偏向,成为东北贸易风(图13);而在南半球地面附近自南向北的气流,也要受到向西的运动力的作用,也有了朝西的偏向,而成为东南贸易风。大气上层的反贸易风,在北半球为西南贸易风,在南半球则为西北贸易风。

ω

V

F

F

ω

      图13               图14

当物体在地面上运动时,只有在垂直于自转轴方向上的速度分量受到运动力的作用。根据左手定则,在北半球上,运动力的方向总是指向运动物体的右侧。所以物体自北向南运动,受到的运动力就指向西方(图14)。这种长年累月的作用,使得北半球河流右岸的冲刷甚于左岸,因而比较陡峭。双轨单行铁路的情形也是这样,由于右轨所受到的压力大于左轨,因而磨损较甚。这与实际情况完全相同。13

从以上的分析中可以看出:根据运动力场的基本原理,运用左、右手定则判断出的贸易风的偏向、铁路轨道的磨损和河岸的冲刷情况与理论力学中描述的情况完全一致。

实验和理论都证明,以同一速率飞行的物体所受的科里奥利力与发射点的纬度有关,也与发射的方向和仰角有关。14运用运动力场的基本原理可以得出与此相同的结论。在地球上纬度不同处,运动力场强度不同;发射方向和仰角不同,那么在垂直于运动力场方向上的速度大小和方向不同,因而以同一速率飞行的物体受到的运动力大小不同。

在地球表面相对于地面静止的物体,随着地球的自转由西向东运动,由于地球自转产生的运动力场方向在地球内部由南指向北,所以根据左手定则可判断出,不管是南半球,还是北半球表面的物体都要受到垂直于自转轴向外的离心力的作用。这个离心力的施力物体是运动力场,它跟运动电荷在磁场中受到的磁场力一样真实,而不是假想的惯性离心力。

在运动力场中,“惯性力”是真实存在的力,而不是假想的力,它是运动物体在运动力场中受到的运动力。正如运动电荷在电荷的运动力场——磁场中受到的磁场力一样,是真实存在的力。

由于科里奥利力和惯性离心力真实存在,反过来说明了运动力场存在的真实性;可见,现在教科书中所说的科里奥利力和惯性离心力,就是地球表面的物体受到地球自转产生的运动力场的作用力。科里奥利力和惯性离心力成了证明运动力场存在的实验依据。

二、伯努利原理的实质

1738年,瑞士物理学家伯努利在研究运动流体压强的时候发现,流体在管子里或河沟里稳定流动的时候,流经狭窄的部分,流速会大些。流速大,压强就小。流体流经宽阔的部分,流速会小些,流速小,压强就大。这就是伯努利原理。

    急流对于游泳的人有危险,计算表明,河水用1米/秒的速度流动,对水里的人会产生300牛顿左右的吸引力。15

为什么流体的流速大,流体内部的压强小?为什么流动的河水,对水里的人会产生吸引力?也就是说,伯努利原理的实质是什么呢?

我们知道,在电学中,同向稳恒电流之间相互吸引。运用运动力场假说,我们同样可以得出:在流体中两物质流线之间相互吸引的结论。请看以下分析:

对于流体,我们可以把它看作是由无数条同向运动的物质流线组成的,如图15()

                                                       

                   ×    × fm ×

                   ×    × ×

           

15

 在物质流线中任取两条流线Ⅰ和Ⅱ(图乙),根据右手安培定则,手握流线Ⅰ,让大拇指指向液流的方向,则弯曲四指的指向为流线Ⅰ周围的运动力场方向,所以流线Ⅰ在流线Ⅱ处产生的运动力场方向垂直于纸面向里;根据左手定则,伸开左手,使大拇指与其余四指垂直并在同一平面内,让运动力线垂直穿过掌心,使四指指向液流Ⅱ的方向,那么大拇指的指向即为流线Ⅱ受到流线Ⅰ的运动力的方向。可见,流线Ⅱ受到流线Ⅰ的运动力垂直于流线Ⅱ,指向流线Ⅰ。同理,流线Ⅰ受到流线Ⅱ的运动力垂直于流线Ⅰ,指向流线Ⅱ。所以,在稳恒流体中,任意两流线间相互吸引。又由运动力场假说可知,物质运动的速度越大,产生的运动力场越强,运动物体的速度越大,在运动力场中受到的作用力越大。可见,流体的流速越大,流线间的吸引力越大,因而流体内部的压强越小,在流体中物体受到流体的吸引力也就越大。这就是运动力场假说对伯努利原理实质的解释。

反过来,伯努利原理又成了运动力场存在的实验依据。

物理学是一门实验科学,它始终遵循着与实验相悖即为错的法则。理论力学中的“惯性力”和流体力学中的伯努利原理,都可以作为运动力场存在的实验依据。实验结果表明:运动力场是运动物体周围空间真实存在的一种客观物质。

在现代科学世界观中,一切事物都是相互关联的。相互关联性是科学的一个极为重要的特点,这种科学的世界观是人类智慧最伟大的成就,广阔的视觉较之过分关注某个细节,能更清楚的显示出这一成就的作用(约翰·格里宾语)。宏观物体由微观物质构成这一基本事实,伯努利原理的实质和理论力学中的“惯性力”说明了运动力场的普遍存在性,因此运动力场假说也能够运用于原子和分子这样的微观世界。在微观世界中,原子核间通过运动力场相互作用,使得原子核的自转轴方向不断改变,引起原子不停地做无规则的振动(分子碰撞除外),进而使得核外电子在核外空间不能有确定的运动轨道(在红移之谜中讨论)。

三、科技馆中的演示实验

去江西省科学技术博物馆参观时,我们可以看到演示科里奥利力的实验装置。实验装置如图16所示,在一个大圆盘上,有两个用皮带相连的小圆盘。当两个小圆盘沿逆时针方向快速转动时,两皮带稍微向外张开;在两个小圆盘沿逆时针方向快速转动时,起动大圆盘,使大圆盘顺时针快速转动,我们可以看到两皮带相互靠拢。对于此现象,没有学过高等物理学的人难以理解,即使学过高等物理学的人也难以向一般人解释清楚。要解释,也只能解释后一种现象,他只能告诉人们:两皮带相互靠拢,是科里奥利力作用的结果。因为科里奥利力是目前物理学本身无法解决的矛盾,它没有反映出此类现象的实质,而运动力场理论抓住了此类现象的实质,对此类现象能够做出清楚合理的解释。

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .         ω

F × × × × × × ×

F

. . . . . . . . . . . . .F . . . . . . . . .        × × × × × × ×

 

甲 两运动皮带受地球 乙 两运动皮带受大圆盘

运动力场作用相互远离          运动力场作用相互靠近

16

由运动力场理论可知:在地球的北半球,运动力场的方向从地里指向地外,在图中为垂直纸面向外,根据左手定则可判断出,两皮带受到地球运动力场的作用力垂直于皮带且方向相反(图甲),两皮带在运动力的作用下,相互远离。当大盘沿顺时针方向高速转动时,根据右手螺旋定则可判断出,它产生的运动力场方向垂直于盘面向下,在图中为垂直于纸面向里,由于大盘产生的运动力场比地球产生的运动力场强,合场强的方向与大盘产生的运动力场方向相同。再根据左手定则可判断出,两皮带受到合运动力场的作用力垂直于皮带且方向相反(图乙),两皮带在运动力的作用下,相互靠近。

  

分享 举报

发表评论 评论 (4 个评论)

  • 钟杏生 2011-10-11 12:21
    惯性是能,动能。动能与力是有关系的。动量等于物质质量与速度的乘积:
    P=mv。速度等于加速度与时间的乘积:v=a·t 。力等于物质质量与加速度的乘积:F=m·a 。物质动量是力与力作用时间的乘积:P=F·t  。惯性是物质动能守恒所体现的动量。转动的惯性是:向心力只改变物质运动方向,不对运动动能做功,动能仍守恒不变。动能传递过程能够转化为对接受动能对象的力的作用。所以,是曾经存在过的力。
    至于运动力场我又以下想法供参考。场应该是物质,场应该有源或源的物质与场的物质相互作用形成。力场,应该是传递力的物质,不会没有,否则就是不科学的超距作用了。也许看了我的博文你会有好的想法。
  • 邱有良 2011-10-11 15:42
    场应该是物质,场应该有源或源的物质与场的物质相互作用形成。力场,应该是传递力的物质,不会没有,否则就是不科学的超距作用了。
    场是物质为大家公认,运动力场是我个人定义的,谢谢你读得如此仔细和恰当的点评
  • 关宇 2011-10-28 11:15
    图呢?示意图呢?尽快想办法!
  • 邱有良 2011-10-31 09:15
    没办法
涂鸦板