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物质运动的波动性及其原因
发布日期:2012-5-29 9:57:59 来源:广东自考网 阅读: 【字体:

[摘要波是物质运动的基本属性,任何物体的运动只要达到一定的速度,都要发生波动,物质本身不存在波动性,只有物质运动才具有波动性。本文主要分析波产生的原因和波的动能来源,为进一步研究物质运动的波动性的本质开辟一条新路,特别是对光波产生的原因的研究,认为光传播的速度是可变的。
 
波是物质运动的基本属性。任何物体的运动只要达到一定的速度,都要发生波动运动。物体产生波动的根本原因在于物体穿过介质时,介质与运动物体的接触面发生变形并主要产生两个力向相反的对物体的垂直作用力,并对之进行持续的相互作用而使物体发生波动运动。(本文只研究纵波)

 一、波的认识
1、湖面水波产生的原因
1)现象

一块石头抛入湖水中,以石头落点为中心,湖面向四周传播水波纹。

2)产生水波的原因

湖面产生水波的原因有三:石头打击水面时,打击产生的能量沿湖水面向四周传播;能量沿湖水面前进时,受到前方湖水的阻力;水面上的大气压力和水面下的湖水压力共同持续作用于湖水面,两者方向相反而力量相当,上下互动,把水波推向远方。即能量沿湖水面前进时,前受湖面水阻力,上受大气压力,下受湖水向上推力,两者同时垂直且持续作用于湖水面,从而了产生水波运动。


具体来说,如图:O点是石头落水的地方,OY是湖水平面,OY是水波前进的方向,曲线是水波,AE是波峰,CG是波谷。在BDFH点上,即在OY线上,湖水向上推力与大气压力力量相等。
当石头落入O点时,因打击产生能量的湖面水向外四周运动,同时受到湖水向上的对打击力的反作用力和前方水面的阻力,使向四周运动的湖面水先向上运动,运动时,同时受到湖面上大气压力的垂直作用,使其放缓速度,在向A点前进的过程中,受到湖水向上的垂直推力逐渐减弱,受到大气向下的垂直压力逐渐增强,并且,大气压力逐渐大于湖水向上的推力,到达A点时,运动的水面受到湖水的垂直推力最弱,受到的大气压力最强,两者力量差最大;接着,增大的大气压力把水面向压低,到大B点时,大气压力与湖水反作用压力相当,但由于水面运动惯性的作用,使水波低于湖面,在其向B点运行的过程中,受到湖水向上的垂直推力逐渐增强,受到大气向下的垂直压力逐渐减弱,湖水向上的推力逐渐大于大气压力,到达C点时,力量差最大;力大的湖水向上的推力将湖面水又推到E点,力量变大的大气压力又将湖面水推到G点,如此反复,湖水向上的垂直推力与大气压的垂直压力的持续的共同作用,形成了向四周远方传播的水波。

3)水波的动能

作用于湖面水波上的大气压的垂直压力与湖水向上的垂直推力之间作用力与反作用力的持续的相互作用。大气压的作用力,换句话说,就是水波接触面上的气态变形,恢复原状而具有的弹力,湖水的反作用力,就是水面变形,恢复原状而具有的弹力,两个力相互作用于水面,使水波传向远方。

2、波与介质的关系
由于波在运动过程中,一直受到接触并作用于它的媒介物质形态方向相反的两个垂直力量的相互作用推动,使波传得很远。因此,波穿过的媒介物质越活跃,受到的推动力越强,波就传播得越快。

液态中的波比分子气态中的波传播的速度慢,分子气态中的波比离子气态中的波传播的速度慢,以此类推。粒子越小、活动性越强的介质形态,波传播时受到的阻力越小、受弹性推动力越大,因而,波速越快;反之,粒子越大、活动性越小的介质形态,波传播时受到的阻力越大、弹性推动力越小,因而,波速越慢。

二、宏观物体运动的波动性及其原因

宏观物体穿过介质空间运动时,围绕物体形成外围空气向中心的物体包压的状态,力向相反且相当的力作用于物体,使物体产生有节奏的波动运行。根据物体受力的接触面的不同,可分为扁形(上下、左右)和圆形两种,分别具有两种波动形式:

1、扁形物体运动的波动(上下或左右波动)
1)飞机的波动运动

飞机波动飞行的原因

飞机自身动力系统推动它向前作直线运动,飞机前方受到空气阻力,上面受到大气压力(重力)的向下垂直推力和下面大气向上的垂直浮力,两个基本相当的力的共同作用,使飞机在实际飞行中以动力系统推动而拟作的直线运动为轴心,环绕这个拟直线做上下波动运动。


如图:OY是飞机在自身动力系统推动下拟作的直线运动,曲线是飞机实际飞行的路线,AE点是波峰,CG点是波谷。BDFH点在OY轴心拟直线上,在拟直线上,大气浮力与大气压力的力量相等。
飞机快速运动,受到的大气浮力大增,前面受空气阻力,其在O点偏离自身动力系统推动拟作的直线运动而向上飞向A点,在此过程中,飞机受到的大气浮力逐渐减弱,而受到的大气压力和向下的轴心拉力的合力逐渐增强,在A点时,飞机受到的大气浮力最弱,而受到的大气压力和轴心拉力的合力最强,两者力量差最大。在A点,大气压力和轴心拉力的合力将飞机往下压低,在此过程中,飞机受到的大气浮力逐渐增强,而受到大气压力和向下的轴心拉力的合力逐渐减弱,到达B点时,飞机受到的轴心拉力消失,受到的大气浮力和大气压力相等。由于飞机运动惯性的作用,飞机继续被压低于轴心直线,直到C点,在此过程中,飞机受到的大气压力逐渐减弱,而受到的大气浮力和向上的轴心拉力的合力逐渐增强,到达C点时,两者的力量差最大。飞机在增强的大气浮力和向上的轴心拉力的共同推动,又向D点方向前进,如此反复,使飞机围绕轴心拟直线作上下波动飞行。(轴心拉力的产生是飞机受自身动力系统推动应该作直线运动,在实际飞行中,在外力的作用下,飞机偏离了这个直线,自身动力系统推动力使飞机应该作直线运动具有的惯性要将其拉回到这个直线上而产生的趋势力量)

飞机运动的动能

飞机运动的动能无疑是它自身的动力系统的推动力,但是,作用于飞机并使之产生波动运动的大气浮力与大气压力的垂直的相互作用对飞机的运动也起到辅助的推动作用。如,没有自身发动机动力系统的滑翔机也能滑向远处,就是使之产生波动飞行的大气浮力与大气压力的共同作用而完成的。

2)汽车波动前进的原因

汽车急驶时产生的波动运动与飞机飞行的波动运动产生的原理是一样的,但由于汽车下面受到基本上无弹性的地面的影响,作用于汽车的上下物质形态有很大的不同,从而使之与飞机波动的形式不同。但是汽车行驶的速度到达一定的程度,就会显现明显波动的特征。坐车在高速公路上飞奔的人,都能特别明显地感觉到汽车有节奏的波动。其原理与飞机相同(述略)

2、圆形物体运动的波动(旋转波动前进)
圆形物体运动的波动与扁形物体运动的波动不一样,扁形物体的扁平面的正反面是主要的受力点,受到两种力向相反的力的垂直的共同的作用,使扁形物体的运动以扁平面前进方向为轴心直线,围绕这个轴心直线上下波动。

圆形物体运动的波动要复杂得多,圆形物体在穿行空气中时,受到周围大气向中间的圆形物体施加压力,每一个力在物体对面都有一个力向相反的力与之相对应,并发生持续对立作用,圆形物体周围作用力的整体对抗,使物体在穿行中发生旋转前进;在所有作用力中,最主要的、影响最大的力还是物体受到的大气压力(重力)和大气浮力,这两种力的垂直的持续相互作用,使圆形物体沿着其运动的方向上下波动前进;因此,总体上,圆形物体的运动是旋转波动前进。(子弹、无翼导弹、火箭就是这一类型)

三、微观物质光传播的波动性及其原因

1、光的衍射
1)光的单缝衍射


如图3,穿过单缝的光,在其投影板上形成中间是一条大的亮条线纹,两边分布亮暗相间的多条小条纹的现象。

形成原因:从单缝射出的片状光束穿过大气空间时,前方受到空气的阻力,光束片的两侧又受到力向相反的空气大气压力的垂直的持续的相互作用,使光束发生波动传播;在波动传播时,原大光束边缘的光被空气分割而发生分散,在原大光束两侧形成多条更小的小光束片条,每条光束片的两侧都受到力向相反的空气大气压力的持续的相互作用,使每条光束都发生波动传播,从而在光束投影板上形成条形衍射。
2)光的圆孔衍射

如图4,穿过小圆孔的光,在其投影板上形成暗亮相间的圈纹的现象。

形成原因:从小圆孔射出的小圆柱形光束穿过大气空间时,前方受到空气的阻力,周围受到空气大气压的压力,这些压力的每个力在光束对面都有与之力向相反的对应力并与之发生对立作用,整体的对立作用,使小圆柱光束发生波动前进,在此过程中,光束外周围的光在波动传播时被空气分割而发生分散,形成多条更小的小光束,每条小光束内外两侧也受到力向相反的空气大气压力的垂直的持续的相互作用,使之都发生波动传播,每条小光束单独进行直线传播,但整体连到一起就形成了圆圈纹,在光束投影板上表现为暗亮相间的圈纹,形成圈纹衍射。

总之,无论是单缝衍射还是圆孔衍射,光传播的波动都是介质的力向相反的作用力对穿行于其中的光的持续相互作用而产生的。光子本身没有波动性,是光的运动具有波动性。

2、光传播的动能
光的动能主要来自光源的源源不断的光流推力(或热推力)。但光穿过介质空间时,使之发生波动的介质的相互作用力对之也有推动作用,介质的作用力就是,光穿过时,形状发生了改变的介质恢复原状具有的弹力,力向相反的弹力的垂直持续作用,以波的形式推动光向前运动。

3、光传播的速度是可变的
   光的速度不是固定不变的。光通过介质传播,不同性质的媒介物质,其粒子活跃情况、弹性力度、对光的阻力等不同,对光波的动能作用也不同,使光的波长和速度不相同。微粒小、粒子活动性强、弹性动能大、对光传播的阻力小的介质,光在其中传播的速度快;微粒大、粒子活动性弱、弹性动能小、对光传播的阻力大的介质,光在其中传播的速度慢。光传播的速度,一般情况下,在分子气态中传播的速度比在液态中传播的速度快,在离子气态中传播的速度比在分子气态中传播的速度快,以此类推。
4、光在宇宙空间的弯曲传播
1)宇宙空间的物质框架结构

 一个或无数个小星球旋涡体被包裹在一个大星球旋涡体的旋进气流体之中,沿着各自的轨道环绕它的涡心球公转运行;一个或无数个大星球旋涡体又被包裹在一个更大的星球旋涡体的旋进气流体之中,沿着各自的轨道环绕它的涡心球公转运行;以此类推。一个星球旋涡体就像一个包裹星球于中心的旋转的气圆盘。
2)星球外旋进气流体的特征

包裹星球的外旋进气流体,即气圆盘,是一个分别由不同气体物质组成的多层气体物质形态,如分子气体形态、离子气体形态等等,由轻的、小的气体物质粒子构成的气体形态层次在外面,由较重的、较大的气体物质粒子构成的气体形态层次在里面,从外到内气体物质粒子层由轻到重、由小到大层层包压,旋进包裹着星球,并推动星球转动。

包裹星球的外旋进气流体的气圆盘形状和物质构成,使之具有凸透镜的性质,对光有折射和衍射的作用。

3)光在宇宙空间的弯曲传播

光在宇宙中弯曲传播的原因:

当光穿过星球旋涡体的外旋进气流体(气圆盘)时,受到以下因素的影响而发生弯曲传播,第一、星球旋涡体的外旋进气流对光流的曲线推动;第二、外旋进气流体是由不同气体物质组成的多层气体形态层层包裹,呈圆周形状,对光的传播来说,形成了圆周状的、不同的介质层,使光的传播发生不同程度的折射和衍射;第三,介质层的圆周形状和其中介质的圆周旋进流动,光波受到的介质力向相反的垂直作用力呈现弯曲对立,从而使光波发生弯曲传播。即旋进气流的推动、介质的折射和衍射、光波的介质动力的曲线作用,三者共同影响,造成光在宇宙空间的传播发生一定程度的弯曲。

图示说明太阳光照射到地球的路径
 
 

如图5OB线是太阳和地球的直线距离,从A点到B点的粗线是阳光从A点出发照射到地球的路径,断点为折射,太阳光从A点出发,到达地球的B点,中间要穿过太阳旋涡体的不同物质层次和地球的不同物质层次,发生多次折射或衍射、弯曲才能到达,并且穿过不同的物质层次,其速度快慢也不一样。阳光弯曲的原因如上所述。(当然,折射和弯曲不如图示那么大)

当我们在地球B点被阳光正面照射时,并不是正面对着地球的太阳一侧的光的照射,实际上是太阳另一侧面的光照。

对星光的错觉

从遥远星际传播到地球的星光,中间要穿过或绕过很多星系或星球体,发生过很多次折射、衍射和弯曲传播,才到达地球。我们看见的星星,以为它就在我们正视的方向,实际上,不一定,它可能在我们的上方、或下方、或左方、或右方、甚至是后方。因此,当我们夜晚抬头看着满天的繁星,它们并不一定都在同一方向,有的在我们的上方,有的在下方,有的在左方,有的在右方,有的甚至在后方,是它们发出的光经过很多曲折传播后,从同一方向到达地球,才让我们认为它们在同一方向的错觉。实际上,没人能确切知道它们的具体方向,如同,经过不知多少块镜子从不同角度(侧度、仰度、俯度)反射阳光,通过看到的最后一块里的太阳来判知,根本无法判定太阳的确切方向。

结语

波动是物质运动的基本属性。在宇宙中,没有孤立存在的物体,每一个物体都与周围其它物体的相互作用中实现运动发展,宇宙空间也不存在完全的真空,波也不可能在真空中传播,因为波是介质力向相反的物质力量对穿行于其中的物质的持续相互作用而产生。任何物体,只要它运动的速度达到一定的程度,都要发生波动运动。因此,物质本身不存在波动性,只有物质运动才有波动性。

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