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检别电场力是非恒力的实验构想
实验目的 通过对带电粒子在均匀电场中不同速率下的受力的测定结果，来确立电场是否满足恒力条件。 实验构想 经典力学告诉我们，恒力作用于物体时，该物体会产生匀加速运动。其最终的速度是无有限的。而在实际中，质点的恒力的作用下并非是象经典力学所预言的那样作匀加速运动。例如；在均匀的电场中带电粒子，它所受到的电场力是恒定的。但它的加速度是随速率的增大而减小，带电粒子运动的极限速率为光速。这一现象以相对论的解释为：带电粒子的质量随速率增大。所以带电粒子在恒力的作用下，加速度会随速率的增大而减少。当粒子的速率趋近光速时，其质量已趋于无穷。我们不可能再加速一个无穷质量的物体。 作者在《力速度与物质运动的极限速率》一文中指出，当带电粒子的运动速度趋近光速度时，并非是其质量的增大难以加速，而是电场力不满足恒力的条件。带电粒子在均匀电场中所受电场的作用力是随速度的增大而减小。当粒子的运动速率趋于光速时，电场对这个带电粒子的作用力也趋于零。由于趋于光速运动的粒子不受电场力的作用，所以难以再加速了。 以上可以看出，带电粒子趋于光速时为何不再加速，有两种观点的解释。一种认为是作用力未变而是质量增大的缘故--质速关系；另一种认为是质量未变，而是作用力减小的缘故--力速关系。这两种可能都可造成带电粒子运动的光速为极限。在我们所掌握的实验还无法排除其中的一种可能性。在这种情况下，作者认为有必需来做一个专门的实验对这两种可能性作检别。只有在排除其中一种可能性的前提下，另一种观点才能得以确立。 实验方法及结果分析 在均匀的电场中的带电粒子要受到电场力的作用。所受电场力的大小可由库仑定律给出。不过库仑定律是在两电荷处于相对静止或低速运动时的测定结果。因扭称只适合测定相对静止两质点之间的作用力。带电粒子在均匀的电场中静止、运动、趋近光速时所受到的力都恒定不变吗？这就需要设计一个能测定动态力大小的方法。 根据作用力等于反作用力的机理，电场对运动的电荷有作用力，同理，运动的电荷对电场有同值反向的作用力。我们只要测定运动电荷对电场的反作用力的大小，就可知运动电荷受电场力的大小。如图一所示，被加速的带负电粒子从两个相互平行且带异性电荷的的极板小孔穿过，电荷运行至两极板之间时，要受到电场力的作用。作用力的大小为F=qe。同理，带电极板受到运动电荷的作用力也为F=qe。带电板受到运动电荷的反作用力使之向电荷运动的反方向运动，这样垂直指钟会指向左边。这并不是本实验的关键。本实验主要是测定不同速率下的运动电荷对电板的反作用力。当不同速率下的加速带电粒子通过带电板时，有可能出现两种情况： 1、 无论带电粒子的运动速率的大小，垂直指针偏向左边一固定位置，它不随带电粒子运动速度的变化而变化。这种现象说明，在均匀的电场中无论带电粒子的运动速率的大小，电场对其的作用力是恒定不变的。既是电场中的电荷的运动速率等于光速，电场对其的作用力还满足F=qe.。可以说，均匀的电场满足恒力的条件。 2、 垂直指针随着运动电荷的速率的变化而变化。当低速率的电荷通过时，垂直指针指向左边；随着通过极板间的电荷运动速率的增大，垂直指针愈接近于垂直点。当电荷的运动速度趋近光速时，垂直指针趋于重合。这种现象说明，均匀的电场对电荷的作用力是随速率减小。当电场加速电荷趋于光速时，电场对电荷的作用力趋于零。这种现象说明了电场力对电荷是作用力是变力，不满足恒力的条件。 失重状态下动态力测定 如果该测定动态力的装置处于失重的环境中。那么带异性电荷的两极板就不需要用悬丝悬挂了，它可以悬浮于空中，没有力的作用它的空间位置是不会改变的。当加速带电粒子从极板的小空穿过时，电场会对运动的电荷产生作用力，同样运动的电荷对电场有等值的反作用力，电板受到运动电荷的作用力会产生一个向电荷运动的反方向运动。当带电粒子的运动速度一定时。我们可以根据电板运动的速度就可计算出该速率运动的电荷所受电场力的大小。 影响精确测定的因素 1、 该动态力的测定装置是运用测定反作用的大小来确定作用力大小的原理。由于高速运动的带电粒子的质量与电板的质量相差悬殊，难以明显观测到电板的偏移，所以，应尽可能地减小电板的质量。电板的质量大小对测定的精度起着至关重要的作用。 2、 悬丝在可能的条件下要尽可能地加长。当然了，在失重状态下的测定就无需考虑悬丝了。 3、 无论电荷的运动速度的大小，单位时间内能过电板的电荷数目应的相同的。否则的话，应充分考虑到这方向的因素。 4、 磁场力对测定精度的影响。由于运动的电荷会产生磁场，电荷的运动速度不同，它所产生的磁场强度也不同。也要充分考虑到磁场随电荷运动速度的变化而变化给测量精度造成的负面影响。 动态力测定的意义 趋于光速的带电粒子不再加速是受质速关系的制约，还是受力速关系的制约。也就是说，趋于光速运动的电荷是其质量增大难以加速呢？还是不受力的作用不再加速。如果我们永远停留在理论上来探讨这类问题，最终也不会有一个满意的答案。只有通过动态力的测定，以下问题才可能得到圆满的解答。 1、 自然界是否存在恒力。 2、 均匀的电场对电荷的作用力是不是恒力。 3、 均匀的万有引力对物体的作用力是不是恒力。 4、 库仑定律、万有引力定律适合两质点处于相对静止情形，当两质点作相对运动时两定律还适合吗？ 后语 电场对电荷动态力的测定装置是我的一个初构想，只说明测定的最简单的原理，实际操作并非如此简单。今天逆子通过互联网络这个时代工具把这个测定原理发布出来。目的是想得到各友网友的指点，如果各位对逆子的测定装置有什么新的见解请直言相告。如果哪位具备这个实验条件有这个意向者可与我联系。 逆子的信箱：nizi@freemail.sx.cn 如果图片不能正常链接，请点击进入原文>  |