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“振 动 能”初 探(上)

(2012-05-26 08:52:54)
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文化

观念变革

物理学创新

新的中国的体系

杂谈

简介:从18世纪开始,物理学就有牛顿范式非牛顿范式之分;牛顿范式物理学描述的是单个物体(被称为‘质点’)在“力”的作用下运动的规律非牛顿范式物理学研究的主要是声、光、电、磁现象背后的规律

现在我们已经非常清楚,非牛顿范式所研究的对象基本上都跟辐射能ε直接相关。如果立足于牛顿范式和非牛顿范式所研究的“能量不同”去考察,就不难发现:

牛顿范式物理学所描述的是物体自身的机械能在相互转移或转化时所遵从的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是物体放出的能量,在介质中以振动波的形式传递时的规律,这种能量就是本文重点讨论的“振动能”—— 物体自身的能量~物体放出的能量,二者肯定存在本质差异,也就决定着不会遵从完全相同的规律。

 

 “振 能”初 (上)

 

 

 

简介:从18世纪开始,物理学就有牛顿范式非牛顿范式之分;牛顿范式物理学描述的是单个物体(被称为‘质点’)在“力”的作用下运动的规律非牛顿范式物理学研究的主要是声、光、电、磁现象背后的规律

现在我们已经非常清楚,非牛顿范式所研究的对象基本上都跟辐射能ε直接相关。如果立足于牛顿范式和非牛顿范式所研究的“能量不同”去考察,就不难发现:

牛顿范式物理学所描述的是物体自身的机械能在相互转移或转化时所遵从的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是物体放出的能量,在介质中以振动波的形式传递时的规律,这种能量就是本文重点讨论的“振动能”—— 物体自身的能量~物体放出的能量,二者肯定存在本质差异,也就决定着不会遵从完全相同的规律。

在牛顿范式物理学中,能量转移都是由两个物体通过碰撞实现的,遵从动量守恒定律;而转化则指物体自身的动能与静能(即势能)的相互变化。

振动能则包含着一个从振动物体介质转移的过程;在这个“过程”中是否还会遵从牛顿范式物理学能量转移的规律,查遍物理学史发现从来都没有人考察过这个问题。笔者的工作就是从这里切入的:

机械能跟质量M存在着密不可分的关系,而振动能却与质量M没有关系—— 这样的两种能量就很有可能不会遵从完全相同的规律。

经过十多年的求索,笔者确证了牛顿范式描述的物体自身的机械能,跟非牛顿范式描述的物体放出的振动能,确实存在着被物理学家们忽略了的本质差异;进而发现只需要将振动能分为受人为作用或自然(非人为作用)作用两种形式,就可以肯定振动能有的存在“固有频率”,有的却没有“固有频率”;最直接的效果是找到、并阐明了多普勒原理的物理机制。

在此基础之上,相对论带来的时间观跟经典物理学的时间观得到了统一,被爱因斯坦称为“恶魔”或“鬼波”的量子,也被找到了……

文章分上、中、下三篇。

《上篇》讨论跟声音的发生、传播相关的现象:

受到人为作用而振动的物体、比如音叉,依据简谐振动的周期公式中有m和倔强系数k可知,声源是有“固有频率”的;但是传播声音的粒子的自由振动却没有“固有频率”,只有“随机的固定频率”—— 所以只有在声源静止时,介质对声音的传播才可能“保真”;如果声源在运动,其动能就会对粒子振动的频率有所“附加”。

这就是产生多普勒效应的物理机制之所在。

我们可以假定M为直接跟音叉碰撞的空气分子,且空气分子间的间隔皆相等;当音叉相对于空气有速度时,M与音叉碰撞的周期就必然会发生变化。

设M到叉股平衡位置的距离为L,振幅为A,周期为T0,且振动速率u=4A/T0,其中L=A;则M与叉股的碰撞周期T=4L/u=T0

设M相对于音叉速度为v,二者碰撞的周期将变为T=4L/(u+v);v取正值T﹤T,取负值T﹥T,分别对应于声源向着或背着观察者运动的两种情况。

故而当声源向着观察者运动时,介质波的频率将大于音叉的固有频率,背着运动方向的空气振动频率将小于固有频率。

即此可知,当声源相对于介质有速度时,介质波的频率与声源频率就已经不再同步,耳鼓接收到的已经不再是音叉振动的频率,而是作为介质的自由粒子的“随机的固定频率”,此时空气传播的声音就必然会“失真”。

文章中我们只是依据高中《物理》课本中简谐振动的能量公式,把介质接受振源能量的情况,分为静态动态两种不同状态,就肯定了振源的动能对自由粒子的振动频率会有所“附加”,从而弄清楚了多普勒效应的机制。

振动有受迫振动和自由振动之分;自由振动在接受振源能量时,振源又有静态和动态之别—— 这可都是传统的物理教材中没有讲到的知识呀。

因为牛顿范式研究的机械能,都跟这两个条件无关;从而可以认定,传统物理学一直“以牛顿范式为典范”,把两种不同范式的物理学理论混为一谈,即是造成科学理论中存在诸多悖论和困惑的一个重要原因。

关键词:牛顿范式,非牛顿范式,自身的能量,放出的能量,受制振动,自然振动

 

 “振 能”初 (上)

 

 

建立在牛顿力学基础上的经典运动学,研究的是机械能,被称为动能和势能;声学研究的是振动能:声音由物体的振动而产生,声音的传播靠的是空气中分子的碰撞振动;真空是不会传播声音的。

机械能是物体本身所固有的能量,跟质量M直接相关;声能则是由物体放出的、靠微观粒子的碰撞而传递的振动能,基本上跟质量M无关,转移、转化的方式也完全不相同,所遵从的规律究竟会不会一样呢?

本文就专门来讨论这个问题,重点涉及物理学没有讲清楚的振动能。

1. 机械振动及其与之相关的物理量

高中《物理》课本上写道:

物体(或者物体的一部分)在某个位置附近沿着直线或圆弧做往复运动,叫做机械运动。常常简称为振动。

其中最简单的一种叫做简谐振动,指的是:

振子在跟位移成正比而方向相反的回复力作用下的振动。

跟振动相关的重要物理量有3个:

振幅A:振动物体离开平衡位置的最大距离叫做振幅。

它是表示振动强弱的物理量。

频率f:在1秒钟内完成的全振动次数。

周期T:完成一次全振动所经过的时间。

在传统的物理学理论中都这样写着:

周期T是一个恒量,只由系统本身的特性决定,叫做系统的“固有周期”;频率f也只由振动系统本身的特性决定,叫做系统的“固有频率”。

简谐振动的能量跟振幅A的平方成正比。写成公式即为:

E=“振 <wbr>动 <wbr>能”初 <wbr>探(上)kx2+ “振 <wbr>动 <wbr>能”初 <wbr>探(上)mv2= “振 <wbr>动 <wbr>能”初 <wbr>探(上) kA2

也就是说,只有振幅A是一个跟振动物体的能量相关的物理量。

那么,固有周期和固有频率究竟是由什么决定的呢?

依据上式不难看出,“固有周期”、“固有频率”都是跟倔强系数k相关的物理量;这个k就是物理教科书中所谓的“振动系统本身的特性”,正是这种“本身的特性”,才决定了存在着“固有”。

2. 振动的分类

围绕声音的发生与传播,我们可以把振动分为受迫振动和自由振动。

(1)、受迫振动:物体(或者物体的一部分)在受到外界的冲击时发生的振动,比如音叉和琴弦由于振动而发声。

这种振动就遵从上述的规律:既存在“固有频率”、“固有周期”,振动能量跟振幅A也符合上述公式所描述的关系。

(2)、自由振动:指的是声音在传播过程中,靠分子碰撞而引起的振动。

依据声学中所讲的知识,我们只知道参与这种物理过程的每一个微观粒子,似乎都只有一个固定的频率;甚至连它们的能量都是跟频率相关的。

也就是说,在自由振动的过程中,只有固定的频率才是一个守恒的量;而这个固定的频率又不同于受迫振动的“固有频率”,总表现为随机的—— 就是这种特性,决定了声波在传播过程中,能够遵从互不干涉原理。

这种物理现象并不难理解:因为每个单个的自由微粒都不具有倔强系数k,当然也就不会有受迫振动所具有的“固有频率”。

这种微观粒子的碰撞所遵从的规律,跟宏观物体的碰撞截然不同:前者遵从固定的频率守恒,而后者所遵从的则是动量守恒定律。

推论一:受迫振动有“固有频率”,自由振动则没有“固有频率”,而只有随机的固定频率;因为微观粒子自身没有倔强系数k

推论二:宏观物体的碰撞遵从动量守恒定律,微观粒子的碰撞只遵从固定的频率守恒;因为前者涉及物体的质量M,后者则与质量M无关。

3. 振动能的转移

从18世纪开始,物理学就有牛顿范式非牛顿范式之分;牛顿范式描述的是单个物体(被称为“质点”)在“力”作用下运动的规律非牛顿范式物理学所研究的声、光、电、磁现象,却都跟振动能相关。

如果立足于牛顿范式和非牛顿范式所研究的“能量不同”去考察,就不难发现:牛顿范式物理学所描述的是物体自身的能量在相互转移或转化时所遵从的规律;而非牛顿范式物理学所描述的则是物体放出的能量,在介质中以振动波的形式传递时的规律—— 物体自身的机械能~物体放出的振动能量,二者肯定存在本质差异,自然也就决定着不会遵从相同的规律。

在经典运动学中,能量转移都是由两个物体通过碰撞实现的,遵从动量守恒定律;而转化则指物体自身的动能与静能(即势能)相互变化。

依据上述讨论,并不难确定声学所研究的现象,就是物体放出的(不是具有的)能量、转化为振动能凭借分子的碰撞在传递。

那么,物体由于受迫振动而放出、并且转移为分子的自由振动能量时,所遵从的究竟是什么规律呢?传统的物理学教科书中却根本就没有讲。

依据声学提供的知识,由受迫振动的能量转移成为分子自由振动的能量时,所遵从的似乎就是“固有频率”守恒—— 任何声音从产生到传播过程中都可以“保真”,比如隔墙就可以判定熟人的脚步声,即是最有力的证据。

推论三:在由受迫振动的能量转移成为分子自由振动能量的过程中,传统理论认为遵从的是“固有频率”守恒。

1842年,多普勒的发现对上述所谓的“似乎”提出了挑战:

当我们站在静止的空气中,声源朝着我们运动时,声调变尖,即声波频率增高;当声源离开我们运动时,声调变得低沉,即声波频率降低—— 也就是说当声源运动时,声波由受迫振动的能量转移成为自由振动的能量时,实际上并不遵从“固有频率”守恒的规律。

迄今物理学界并没有能够对多普勒效应的物理学机制给出合理而自洽的解释—— 足可以说明物理学界对“振动能”的了解,还存在一个鲜为人知的“盲点”。

4. 对受迫振动之能量的剖析

依据第一节给出的公式,并不难发现:

受迫振动的能量是由两部分—— 即静能 “振 <wbr>动 <wbr>能”初 <wbr>探(上) kx2和动能“振 <wbr>动 <wbr>能”初 <wbr>探(上)mv2构成的,传统的声学理论总是建立在“发声体静止”的基础上在进行描述,故而所检测到的结果中就只能有第一项,根本就不包含第二项。

所以才会有推论三那样的认知结果——“正确理解和掌握理想化这种方法,是学好物理的关键”,《物理》课本在开始讲授“机械振动”时特意添加了这一句说明,为的是让学生能够以“近似”为前提,来把握整个推理过程;而结果却是把“理想化的近似”当成“真理”,并且以此为“标尺”去解释现象,久而久之竟然都忘却了书本上的知识是从“理想化的近似”得来的。

这种绝对的认识有一个重大的障碍。正如可认识的物质的无限性,是由纯粹有限的东西所组成一样,绝对地进行认识的思维的无限性,是由无限多的有限的人脑所组成的,而人脑是一个挨一个地和一个跟一个地从事这种无限的认识,常做实践上的和理论上的蠢事,从歪曲的、片面的、错误的前提出发,循着错误的、弯曲的、不可靠的途径行进,往往当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理。

恩格斯写在《自然辩证法》中这段话所包含的哲理,迄今都依然适用。“理想化这种方法”对于自然科学的初级发展阶段虽然非常实用,但是其中却存在着不易觉察的“歪曲的、片面的、错误的前提”;比如我们正在讨论的这个问题,推论三中就包含着“片面的、错误的前提”。

推论四:在由受迫振动的能量转移成为分子自由振动能量的过程中,如果只考虑振动物体的“静止”状态,所遵从的就是“固有频率”守恒;如果从振动物体同时在“运动”的角度考察,结论就应该是:上述过程所遵从的就是“随机的固定频率”守恒。

5. 多普勒效应的物理机制

多普勒原理针对的现象是:发声体向我们运动时,声波频率增高;发声体离开我们时,声波频率降低——  也就是说,当受迫振动的物体运动时,发生在“受迫”和“自由”振动物体之间的能量转移,并不遵从“固有频率”守恒的规律。究竟是什么原因,“科学”迄今都没有能够给出合理的解释。

依据上一节的讨论,实际上并不难发现:

当发生受迫振动的物体运动时,运动物体自身的动能,对由它放出的、以振动形式在介质中传递的自由振动的能量,在振动频率上一定会有所附加;因为经典运动学速度是个矢量,这种附加自然就会有正、负之分,具体表现为在频率上有增大或减小之不同。

推论五:依据物体振动的能量分静能、动能两部分,在由受迫振动向自由振动转移的过程中,经典的声学描述的只是“静能”部分,遵从“固有频率”守恒的规律;多普勒原理描述的是“静能、动能总和”作用的结果,遵从“随机的固定频率”守恒之规律。

多普勒原理已经实现了对“能量”认知的第一次超越,即振动能由受迫振动向自由振动转移时,动能是“矢量”而不是“标量”;但是,由于物理学一直“以牛顿力学为典范”的传统所禁锢,迄今都不能给出恰如其分的诠释—— 本文仅仅区分了机械能和振动能,就可以给出合理而自足的结论。

 

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