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湖南自考土木工程管理专业本科论文 引力动力过程说明

2018-07-23 15:35:55
来源:湖南自考网
概述:此文章描述了引力的动力过程,阐述了引力质量是惯性质量的一种表现形式;场力为什么与作用距离的平方成反比,而不是与三次方、四次方成反比;并预示了万有引力常数G并不是真正不变的常量等等。本文只想说明:引力场是什么? 
The gravitation dynamical process explanation
This writing describes the process of the gravitation dynamics. The gravitational mass is an embodiment of the inertial ones. Why does the field force is in inverse proportion to the square of the distance between the two masses, but not to three or four power of ones and to prefigure that the constant G of the gravitation isn't invariant. The article wants to explain: What is the gravitational Field?

 

从人类的自然科学发展过程来看,我们对自然界的认识是一步步再加深,对自然界物质的分辨能力也是逐渐再提高。从宏观到微观,逐渐认识了分子、原子、电子和质子等。随着仪器及认识手段的改进与提高,人们对自然界的认识也将进一步提高与加深,对物质的分辨能力也会逐步提高。当人们用更先进的仪器和手段发现场物质是由比原子,电子等更小的物质微粒组成时,那么,我们将更加深入地了解自然界物质运动的本质规律。 
此文章以下面的前提条件成立为基础:
伿澜缡俏镏实模镏适强凸鄞嬖谇沂睾愕模镏适窍喽栽硕模硕质蔷缘摹?
?物质的存在是离散的,是以物质单元的形式存在,或称物质微粒。
?物质单元(或称物质微粒)存在于空间之中是相互独立的。
?一切物质单元都具有一定的物理属性;一切物理属性都必须依附于物质单元之上。
…一切物理的基本定律在所有的匀速参照系中都是相同的。
请参见“当代物理世界_物理论文集”网上:《关于物质、场与波的几点看法》一文。

现在,我们来描述物质存在的状态。在某一空间区域V中存在一种各向均匀的场物质[除此场物质外, 别无它物],它是由极小的微粒Z组成,其质量mZ比光子的质量[所谓静止质量]还小,具有动能、动量和数密度(.数密度(是指在单位空间体积(V中所含微粒Z的总个数比值的极限值。在这个体系V中,每一个微粒Z的运动速率为VZ[均方根速率,下同],而运动的方向又具有各向均匀性。每一个微粒Z与另一个微粒Z发生碰撞的统计平均自由程为L。场微粒Z在空间存在的状态与大气分子类似。例如,从微观来说,每个微粒Z的运动是杂乱无章的,各运动方向是随机的.但从宏观来说,在各方向上微粒Z运动数量的统计值又是均匀的[可称为方向均匀场物质],表现为场物质整体没有宏观定向运动。然而,场物质与空气之间的状态与运动状态还存在着不同点。例如,空气分子的质量与质量密度远比场微粒Z的质量mZ 与质量密度mZ(大,分子的运动速率远比微粒Z的运动速率小,从而造成它们之间的其它差别。第一点,每个微粒Z的自由程L比空气分子的自由程大得多,或者说,微粒Z之间的碰撞概率很小。第二点,微粒Z穿透宏观物体[如房间,大地等]的能力远比分子强,也就是说,微粒Z很容易进出物体的内部,与物质发生作用。
我们用(i表示在空间V中某点O具有向某一方向i运动Z的数密度,如图一,(i 是方向的函数。由于此区域场物质的运动是方向均匀的,所以,各向(i值也是相等的。我们对该点O上各个方向Z的数密度(i求和[各方向上的数量和],就得到了方向均匀场物质Z的数密度。
现在,定义微粒Z通过某体积的路程积S:在空间任一O点,在O点附近取包括O点在内的一小区域,此区域的体积为(V,如图一.在单位时间内,场微粒Z沿i方向穿过体积(V 的路程( l与沿此方向通过的微粒Z个数(N之积,称为在i方向上通过空间体积(V的路程积:(Si=(N·(l.。(Si是一个数量函数,其值恒大于、等于零,对各个方向求和,可得到在O点对应体积(V总的路程积为:

如果通过此空间体积(V的路程积(S与其体积(V之比,当使体积(V以任意方式缩向O点时,此比值的极限存在,则称此极限值为在O点的路程积通量(或简称通量T)为:

现在,我们来寻求T与(之间的关系。以空间O点为园心,以(为半径取一个任意小区域,其体积为(V,同时,以O点为原点建立笛卡尔坐标系,如图一。如果沿y轴正方向上的微粒Z数密度为(y,则在XOZ平面上取一微面元ds,那么,在y方向上,单位时间内通过ds的微粒Z个数为:

则dNy个微粒Z通过(V的路程积为:

式中:dl为dNy个微粒Z穿过体积ΔV的路程
那么,在y方向上,微粒Z通过体积(V的路程积为:

而是所取区域的体积,所以,有:

这样,我们可以得到微粒Z在各个方向上穿过空间体积(V的路程积为:
(1)
式中:是微粒Z的空间数密度。
因此,通过空间体积(V的路程积(S与空间体积(V之比的极限称为在O点的通量T:

在空间任意点,通量T处处相等的条件是:微粒Z的速率VZ与空间数密度(之积相等。

若在空间O点区域(V中,放入一个物质单元(M [其物质密度为],且设场微粒Z通过(V的路程积为(S,见(1)式。那么,将有一部分的微粒Z与物质单元(M中的物质发生弹性碰撞。如果,物质元的密度(越大,或者微粒Z在O点体积(V的路程积(S越大,则在单位时间内与物质元(M发生碰撞的微粒Z个数N越多。这就象一颗子弹打向密集目标比打向一个稀松目标而击中的可能性大;或者有较多子弹在目标中穿行的路程越长而击中一个目标的可能性越大一样。既有:
(2)
式中:(1为一个发生相碰的概率因子,它与(M存在的自然条件有关。
除了与(M相碰的微粒Z外,还有透过物质元(M的微粒Z。只要微粒Z经过(M所占有空间(V后,它们将以球面形式向空间发散,其发散方向不可能偏向某一方,这是由于微粒Z运动的各向均匀性与独立性所决定的。对于透过(M的微粒Z,我们不去考虑它的运动状态,因为它们并未与(M发生过作用,而只考虑与(M相碰的微粒Z的运动状态。以后无特别声明,所指微粒Z都是这部分微粒Z。

场微粒Z辐射到空间任一球面B[B球面是以O点为园心]上,在单位时间内通过球面B单位面积的Z个数为:

式中:r是球面B的半径,如图二
在球面B上任取一点A,以A点为中心,取一空间区域H,其体积为(VH,设微粒Z [特指与(M发生碰撞后的场微粒Z]通过(VH的路程积为(SA。
现在,我们来求(SA。体积H与球面B割为一球冠D,在球冠D上任取一小面元ds,由于微粒Z在空间没有暂留现象,则在单位时间内通过ds的微粒Z个数为:

这dn个Z所经过体积H的路程为dl。所以,dn个微粒Z穿过体积H的路程积为:

那么,微粒Z通过体积(VH的路程积为:
(3)
对应的通量为:

在单位时间内,通过B球面单位面积的微粒Z所含动量为:
(4)

任何物质的相互作用,它们之间都会有动能和动量的传递。在N[见(2)式]个微粒Z中有NK个Z将其部分动能传递给了(M,那么,NK所对应在O点的通量为TK,则有:

设这部分微粒Z与物质元(M碰撞后,返回空间的速率为VK [VK <VZ ]。同样,在N个微粒Z中有NR个Z将从物质元( M中吸收部分的动能,NR所对应在O点的通量为TR,则有:

并设这部分微粒Z返回空间的速率为VR[VR>VZ]。因而有:

式中:T=TK+TR
从宏观统计来看,在一个能量传递平衡系统中,某个场微粒Z与物质元(M发生作用后,其传递能量于(M或从(M中吸收能量的概率是相等的,为0.5,也就是:NK=NR或TK=TR=T/2。NK与NR个微粒Z分别返回到球面B上通过单位面积的Z个数分别为:


以下为了叙述方便,具有速率VZ的微粒Z称为ZZ,具有速率分别为VK与VR的微粒Z称为ZK和ZR。
同理,可以分别求出ZK与ZR通过A点体积(VH的路程积为:
(5-1)
(5-2)
参见(3)式。

在单位时间内,通过B球面单位面积的ZK与ZR所含动量和值为:

相对应于O点没有(M存在时,在单位时间内,相同的微粒Z个数N通过B球面单位面积的ZZ所含动量值为PO,既(4)式。也就是在O点不存在(M时,B球面上的动量密度PO变为有(M存在于O点时B球面上的动量密度PM。为了考察(M对球面B上动量密度的影响,在A点的路程积暂且分成有(M影响的路程积(SK+(SR与没有(M影响的路程积(SA,见(5)式和(3)式,以比较这两者之间所产生的各种变化。当没有(M在O点时,ZZ在B球面上形成的动量密度PO必有一个反方向的-PO'与之平衡,既PO=PO',否则,在B球面上就会产生一个宏观定向运动场性,从而破坏各向均匀场物质的约定,如图三中(a)。当O点有(M时,PM代替了PO,而-PO'没有变化,那么,动量的改变量为:

(6)
(P的方向指向O点,如图三中(b)。这就是说:物质元(M改变了B球面上的动量密度。对于那些透过(M的微粒Z在B球面上形成的动量密度没有发生变化,我们可以不去考虑。现在,假如在B球面上A点另放一个物质单元(m,其密度为(m=(m/(VH。(m也同O点的物质元(M一样,也要有部分的微粒Z与物质元(m相作用;另一部分透过物质元(m,对于这部分微粒Z我们不去考虑。那么,对应于ZZ、ZK和ZR与(m碰撞的微粒Z个数分别为:
(7)
(8)
(9)
式中:(i[i=2、3、4]与前面定义的(1一样,是一个发生相碰撞的概率因子,其与(m存在的自然条件有关,见(2)式。
式(7)表示没有(M影响时,对应N个微粒ZZ与物质元(m碰撞的微粒Z个数
式(8)、(9)表示有(M影响后,对应于NK和NR中的微粒ZK和ZR与(m碰撞的微粒Z个数

(m对(M的影响的反作用于(m的影响可以不再考虑。同样,nZ、nK和nR中的部分微粒也要与(m之间有动能和动量的传递,它们中的每一个微粒从(m中吸收能量的概率和传能量于(m的概率也是相等的,为0.5。则有:
ZZ从(m中吸收能量的微粒个数为: (10)
ZZ传能量于(m的微粒个数为: (11)
ZK从(m中吸收能量的微粒个数为: (12)
ZK传能量于(m的微粒个数为: (13)
ZR从(m中吸收能量的微粒个数为: (14)
ZR传能量于(m的微粒个数为: (15)
式(10):nZR表示在nZ个微粒ZZ中有增加动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PZR。设此nZR个ZZ由(m返回空间的速率为VZR[VZR>VZ],则有PZR=mZ[VZ+VZR]nZR
式(11):nZK表示在nZ个微粒ZZ中有减少动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PZK。设此nZK个ZZ由(m返回空间的速率为VZK[VZK<VZ],则有PZK=mZ[VZ+VZK]nZK
式(12):nKR表示在nK个微粒ZK中有增加动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PKR。设此nKR个ZK由(m返回空间的速率为VKR[VKR>VK],则有PKR=mZ[VK+VKR]nKR
式(13):nKK表示在nK个微粒ZK中有减少动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PKK。设此nKK个ZK由(m返回空间的速率为VKK[VKK<VK],则有PKK=mZ[VK+VKK]nKK
式(14):nRR表示在nR个微粒ZR中有增加动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PRR。设此nRR个ZR由(m返回空间的速率为VRR[VRR>VR],则有PRR=mZ[VR+VRR]nRR
式(15):nRK表示在nR个微粒ZR中有减少动能的微粒个数,其对(m提供的动量为PRK。设此nRK个ZR由(m返回空间的速率为VRK[VRK<VR],则有PRK=mZ[VR+VRK]nRK

这样,由于(M对(m的影响,将改变(m所受动量和值,既从nZ对(m提供的动量(PZR+PZK)变为nK+nR对(m提供的动量(PKR+PKK+PRR+PRK),其差值为:
(16)
P的方向指向(M,将(10)~(15)式与相应动量公式代入(16)式,则有P为:

(17)

实际上,前面定义微粒Z的路程积都是在单位时间内定义的,P就是在单位时间内(m接受的动量值,既是(m所受到指向(M的力f。同样,(M所受力相等于(m所受力f。但方向指向(m[当(m与(M存在的自然条件相同]。
地球和地球上的任何物体都是由物质组成的,它们之间就有相互作用。假设(M是地球质量M的物质元,(m是物体m的物质元,(M对(m作用力为f。
由于地球物质M与微粒Z之间的动能传递不可能偏向于某一方[指从Z中吸收能量和向Z释放能量],最终必达到某种状态下的动态平衡,既有:

化简,得:
(18)
倘若m的质量相对很小,且温度不高,那么,可以认为微粒Z与(m之间动能传递量很小,也就是:
; ; ; 
(M对(m的作用力f由(17)式可变为:
(19)
式中:因为,所以,2VZ(VK+VR恒成立,则f>0,也就是(m所受力是指向(M,这就是所谓的物质引力———万有引力。将f对m与M积分就得到m与M之间的引力。(19)式与万有引力公式比较,则有:

下图,以地球体系为例,表示出能量在M、Z之间的传递过程:
图中:①表示空间中微粒Z进入物质M,在物质M中,其参与了与M之间的相互作用。之后,辐射到空间中,由②所示。在广阔宇宙间,微粒Z、物质粒子相互碰撞,相互作用,达到能量均衡分配,如③所示。这就象高、低能量的分子放入空气中,最终它们之间会达到能量传递平衡,会具有相同的动能一样[指统计相同]。之后,微粒Z再进入第①个过程,可再次循环①、②、③过程。
最后,还要补充说明几点:
1.从本质上讲,引力质量是惯性质量的一种表现。
2.从(19)式可以理解:场力为什么与作用距离的平方成反比,而与两物体的质量积成正比。
3.由于(与自然条件有关,那么,引力常数G并不是常数,应由相应物质周围的自然条件所确定。当一个大原子组成物质的惯性质量与另一小原子组成物质的惯性质量相等时,它们的引力质量并不一定完全相同[既惯性质量与表现出的引力质量并不完全相同];或者说:引力不一定等于反引力。
4.微粒Z是客观存在的,当空间形成PM与PO'差时,微粒Z在宏观上才体现出场的性质,也就是出现了引力场,当场性质消失时,微粒Z仍然存在于空间。
5.地球质量M与Z建立了某种程度上的能量传递动态平衡,也就是说地球内部热能的来源———从微粒Z中获得。其物体质量越大[或者说:其体积与其表面积之比就越大],它与Z达到能量传递动态平衡下的物体温度将会越高,其温度由吸收Z能量与其向外辐射能量决定:
在某温度下动态平衡
式中:是物体从Z中吸收的总能量,与物质的多少和温度成比例
是Z从物体中吸收的总能量,与物质的多少和温度成比例
是物体通过其表面,由其它方式向空间辐射的总能量,与物体的表面面积和表面温度成比例
广而言之,天体内部的温度不随其深度的增加而呈线性增加。如果天体质量与体积达到一定程度,它的温度也将升到使天体发光的程度,而形成可以发光的星体――恒星。
6.电磁场也是由离散且独立存在的物质组成,,它们与“激发物”之间没有确定的所属关系。电、磁力只不过是传递作用的媒介不同,它们都是由第三者[或与第四者共同]传递两方的相互作用。
7.场力的作用距离与传递媒介Z [或其它微粒]的自由程L有关。只要有PM与PO之差不为零,就有作用力存在。对于相距远大于自由程L的两星系,它们之间的引力要小于(19)式计算的结果。即,在大尺度宇宙空间中,引力随距离增加而衰减的速度要大于1/r2的关系。请参见《关》一文。
8.如果将一个物质元(m放在一个引力场中,(m能获得的最大动能E为:

式中:h为(m在低速时的重力加速度为g的场中有足够长的行程
在电磁作用中,也有类似的过程,也就是说:用场加速物体或粒子存在一个被加速的最高速度极限值,而这个极限速度值不取决于被加速物在加速场中的行程有多长。对于用不同的场[引力场或电磁场]做加速介质,被加速物有不同的速度极限值。
9.由于地球绕太阳公转,公转速率约为29.8km/S。因此,它将受到空间中微粒Z的阻力。这相当于低速运动物体在空气中要受到分子阻力一样。在不考虑其它因素的情况下,地球要维持其公转,就要以一定的速度落入太阳,以获得因受微粒Z阻力而损失的动能。
10.由于光微粒也会受到空间中微粒Z的阻力,使在星系间传播的光微粒能量将逐渐减小,表现为有“红移”现象,即:不论两星系之间是否有相对运动,红移现象总是存在的,光微粒能量的衰减与其行程成正比,即红移量与星系间距成正比,宇宙并非正处在膨胀之中。在小空间的星系间,可以出现“兰移”现象。推测:对于远距离星系的红移光CR,其光的传播速度VCR<VC,反之,对于近距离星系的兰移光CB,其光的传播速度VCB>VC,其中VC是我们现在在真空中所测的标准光速。

以上是作者的一种认识,望各位读者指正。


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