牛顿相对性原理、伽利略变换、狭义相对论,违反热力学第一、二定律。(续) 原创作者 马天平 籍贯新郑市 摘要:分析位移与参照系有关,加速度、力、功与参照系有关,具有优越惯性系,说明牛顿第二定律、相对论力学、牛顿相对性原理、伽利略变换、狭义相对性原理、狭义相对论,与热力学第一、二定律产生矛盾,使牛顿相对性原理、伽利略变换、狭义相对性原理、狭义相对论,不能成立。(根据2013-03-30和2013-04-06的文章改编)。 关键词:牛顿第二定律 加速度 力 功 牛顿相对性原理 伽利略变换 狭义相对性原理 狭义相对论 力学相对性原理或牛顿相对性原理认为"对所有惯性系来说,力学的基本规律(即牛顿定律)都是一样的",根据伽利略变换,加速度和力在不同惯性系中等价。 由于位移与参照系有关,那么,加速度、力、功,在不同惯性系中是否等价呢?牛顿第二定律、相对论力学基本方程F=dP/dt,是否完全适用于惯性系呢?相对论是否成立呢? 一、 运动惯性系中,牛顿第二定律是否完全成立?相对论力学基本方程F=dP/dt是否完全成立? 假设在静止的光滑平面上,质量m = 2千克的火箭壳,受到燃料的推动力F = 5牛,从静止开始加速,沿着水平方向开始发射,加速时间为t=3秒; 其中,3秒内消耗燃料的质量为m1=x千克,燃料内能的增量为ΔU,产生的推动力F = 5牛,燃料推动火箭壳的机械效率为0.5,使燃料产生的功等于损失的热量,W=Q 。 根据热力学第一定律:△U=Q+W、燃料效率为0.5,那么,3秒内燃料内能的增量为: △U=Q+W= 2W (1) 对于静止的光滑平面,3秒内,质量m1的燃料的内能增量△U,是客观不变的。那么,3秒内,质量m1的燃料的内能增量△U,对于运动观察者是否不变呢?伽利略变换是否遵守热力学定律? 分析(1): 对于静止光滑平面(或者静止惯性系K),已知火箭壳v0 = 0;m = 2千克 , F = 5牛 ,t = 3秒 ; 根据牛顿第二定律F=ma,火箭壳的加速度为: a = F/m = 5牛/2 千克= 2.5米/秒^2 (2) 经过t=3秒的加速后,火箭壳的末速度为: v = at = 2.5米/秒^2 ×3秒 =7.5米/秒 (3) 火箭壳的加速度过程为: a = (v﹣v0 )/t = (7.5米/秒﹣0 )/ 3秒 = 2.5米/秒^2 (4) 表示火箭壳从初速度为零的状态开始加速。 经过t=3秒的加速后,推力F=5牛,使火箭壳对于静止惯性系K的位移s: s=(1/2)at^2 = (1/2)×2.5 米/秒^2 ×(3秒)^2 = 11.25米 (5) 根据动能定理,火箭壳的动能变化为: W合=ΔEk=(1/2)mv^2 ﹣0 =(1/2)×2 千克×(7.5米/秒)^2 = 56.25焦耳 (6) 推力F=5牛,对于火箭壳的功为: 机械功W=FS = 5牛×11.25米 = 56.25焦耳 (7) 推力做功为正值的56.25焦耳 ,表示火箭壳得到能量,则表示燃料失去56.25焦耳,因此,燃料输出的热功W为-56.25焦耳。 根据(1)(7)式,燃料推进剂的能量增量为: △U=Q+W= 2W = 2×(-56.25)焦耳 = - 112.5焦耳 (8) 这样的力学过程、能量转换过程,符合自然规律。 分析(2): 以燃料推力F = 5牛的方向建立速度为300米/秒的运动惯性系K'。 对于运动惯性系K',根据牛顿相对性原理、伽利略变换, 火箭壳的加速度仍然为 a = F/m = 5牛/2 千克= 2.5米/秒^2 。 火箭壳的初速度为v0' =﹣300米/秒 (9) 末速度v' = v0'+at = ﹣300米/秒 + 2.5米/秒^2×3秒= -292.5米/秒 (10) 火箭壳的加速度过程为: a = (v﹣v0' )/t = (-292.5/秒﹣﹣300米/秒)/ 3秒 = 2.5米/秒^2 (11) 表示火箭壳从速度不为零的状态开始减速。 经过推力F=5牛、t=3秒的减速后,火箭壳对于运动惯性系K'的位移s': s'=v0't+(1/2)at^2 = -300米/秒×3秒 +1/2×2.5米/秒^2×(3秒)^2 = -888.75米 (12) 在运动惯性系K',推力F=5牛对于火箭壳的功为: 机械功W'=Fs' = 5牛×(-888.75)米 = ﹣4443.75焦耳 (13) 根据动能定理,火箭壳的动能变化为: W'=ΔEk=(1/2)m v' ^2 ﹣(1/2)m v0'^2 =(1/2)×2 千克×(-292.5米/秒)^2 ﹣(1/2)×2 千克×(-300米/秒)^2 = ﹣4443.75焦耳 即, W'=(1/2)m v' ^2 ﹣(1/2)m v0'^2 = ﹣4443.75焦耳 (14) 推力做功为负值的﹣4443.75焦耳 ,表示火箭壳失去能量,则表示燃料得到4443.75焦耳,因此,燃料输出的热功W'为 4443.75焦耳。 在运动惯性系K'中,根据热力学第一定律,燃料推进剂的内量增量为: △U'=Q'+W'= Q'+ 4443.75(焦耳) (15) 由于燃料效率为0.5,使燃料产生的机械功等于损失的热量,W'=Q '= 4443.75(焦耳),那么, △U'=Q'+W'= 2W'= 2×4443.75(焦耳) (16) 由于内能的存在不依赖于外界,因此,环境温度一定时,△U= ﹣112.5焦耳是客观、唯一的。根据(5)(15)(16)式,质量为m1=x千克的燃料,在地面上的热能变化是△U= ﹣112.5焦耳,符合客观规律;但是,在速度为300米/秒的运动惯性系K'中,燃料热能变化是△U'=2×4443.75(焦耳),说明燃料吸收能量,就违反常识、就创造了能量、违反能量守恒定律、违反热力学第一定律。 因此,力和功在不同惯性系中,不等价;牛顿第二定律在不同惯性系中不完全适用,相对论力学基本方程F=dP/dt在不同惯性系中不完全适用。 因此, 牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 根据(8)(14)(15),在运动惯性系K'中,机械功W'=﹣4443.75焦耳 ,在静止惯性系K中,客观的△U= -112.5焦耳。就说明,机械功W'的大小,远远地大于燃料内能增量△U的大小,说明机械效率超过百分之百,就违反热力学第一、二定律。 因此,力和功在不同惯性系中不等价,牛顿定律在不同不同惯性系中不等价,牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 根据(7)(13)(14),W≠W',因此,在不同惯性系中使用牛顿定律F=ma时产生的机械功效果不同,就证明牛顿定律F=ma在不同惯性系中不等价,使牛顿相对性原理不成立,相对性原理不成立、使伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 根据(4)(11)式,在不同惯性系中,物体加速度的过程不同,使同一个外力F=5牛的作用过程和效果不同,因此,力学过程在不同惯性系中不同、惯性系不平权。 所以,在不同惯性系中,同一物体受到相同大小的加速度、作用时间相同,加速度的过程和效果不同、力的作用过程和效果不同,使加速度在不同惯性系中不等价、力在不同惯性系中不等价,使牛顿相对性原理不成立、狭义相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对论不成立、广义相对论不成立。 分析(3): 人们走路的时候需要消耗真实的能量,才能使脚往后蹬(称为作用力),才能得到地把脚往前推(称为反作用力)的结果,才能使人们的身体前进。所以,作用力与反作用力是因果关系,不能代替。 人们划船的时候,需要消耗真实的能量,才能使桨将水往后推(作用力),使水被迫产生反作用力,将桨往前反推(反作用力),从而使船能前进。所以,存在绝对运动、作用力与反作用力是因果关系。 对于运动惯性系K',外力F=5牛对于火箭壳做负功,使火箭壳速率减小,F=5牛成为阻力。 对于静止的光滑平面,力F=5牛对物体做正功,使火箭壳速率增大,成为动力。 使同一个力F=5牛,同时成为作用力(即推动力)与反作用力(即阻力)。但是动力与阻力不等价、不平权,因此,力F=5牛在不同惯性系中不等价、不平权。 使牛顿定律F=ma在不同惯性系中不等价、不平权,使牛顿相对性原理不成立,使相对性原理不成立、使伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 分析(4): 在运动惯性系K'中,如果认为燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U的大小,那么,就创造了能量、就违反能量守恒定律。 相对论的质速关系、质能方程,来源于狭义相对性原理。狭义相对性原理,来源于伽利略变换,因此,质速关系、质能方程,不能用于证明狭义相对性原理和伽利略变换、不能用于证明燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U 的大小。 一块电池储存的电能,将不会随着观察者的速度变化而改变。 同一个环境温度下,质量为m1=x千克的燃料的热值是客观唯一的,不会随着观察者的速度变化而改变,燃料燃烧后实际做功和实际释放的热量,也将不会随着观察者的速度变化而改变。 在运动惯性系K'中,如果认为燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U的大小,那么, 假设在静止的地面上,火箭平放在透明密封的大容器内,大容器内有温度计。当质量为m1=x千克的燃料做功时产生加速度,燃料内能增量△U= -112.5焦耳,将会使大容器内的温度增大,达到一个最高值,并且可以使用温度计测量出来。 但是,在速度为300米/秒的运动惯性系K'中,如果认为△U'=2×4443.75(焦耳),燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U的大小,因此就认为大容器内的温度增大到另一个最高值。 或者,如果认为△U'=2×4443.75(焦耳),使燃料吸收能量、使燃料没有释放热能,则大容器内的温度就会降低到一个最低值。 显然,透明密封的大容器内,温度计显示出来的是唯一的值。 如果在不同惯性系中观测到容器内的温度不能相同,就违反事实。 因此,运动惯性系K'中观测的燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U的大小,就只能违反客观事实,因此,同一个动力或功在不同惯性系中,不等价。 因此,如果认为△U'=2×4443.75(焦耳),使燃料吸收能量,则大容器内的温度就会降低到一个最低值,显然会违反事实。因此,同一个动力或功在不同惯性系中,不等价。 所以,牛顿定律在不同惯性系中不等价,牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 分析(5): 在运动惯性系K'中,如果认为燃料内能的增量△U'的大小可以大于 △U的大小,那么, 假设在静止的地面上,当静止的火箭受到燃料作用力加速,撞击一堵静止的墙壁时,如果在地面上看到由于机械功功W比较小,使火箭壳动能比较小,使墙壁刚好没有破损,但是由于不同惯性系中的位移不同、加速度过程不同、功不同,就使在不同惯性系中应当观测到不同的撞击效果。 如果运动惯性系中能够观测到墙壁破损、或者严重破损,就说明不同惯性系中,功的不同是真实的、燃料内能的增量是不同的。就违反物质不灭定律、违反能量守恒定律。 由于客观事实只有一个,墙壁没有破损、火箭加速消耗的燃料热能是唯一客观的,使运动惯性系中不应当观测到墙壁破损、或者严重破损。 所以,运动惯性系中,功的不同是相对虚拟的,因此具有优越惯性系、力和功在优越惯性系中才有物理意义。 如果运动惯性系中观测到墙壁没有破损,就说明不同惯性系中,位移、力和功在优越惯性系中才有物理意义。 因此,力和功在不同惯性系中,不等价,牛顿定律在不同惯性系中不等价,牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 分析(6): 根据(5)(12),同一力学过程在不同惯性系中位移不同,证明力学事件在不同惯性系中的空间间隔不同、惯性系不等价、力(和加速度)在不同惯性系中不等价。 力在不同惯性系中不等价,使牛顿第二定律的方程相对于伽利略坐标变换的协变在数学上成立、在物理上没有客观意义。力在优越惯性系中才具有物理意义,力在相对惯性系中是虚拟力、没有能量变换基础。 力在不同惯性系中不等价,使牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 二、 静止惯性系中,牛顿第二定律是否完全成立?相对论力学基本方程F=dP/dt是否完全成立? 假设以速度v=30米/秒的列车内部,质量m = 2千克的物体静止在光滑平面上,时刻t=0时,沿着列车前进方向,乘客以F=5牛推动物体,持续时间为t=3秒。 对于列车(运动惯性系K'),物体的加速度为 a'= F/m = 5牛/2 千克= 2.5米/秒^2 推力持续时间t=3秒产生的位移为 s'=(1/2)a't^2 = (1/2)×2.5 米/秒^2 ×(3秒)^2 = 11.25米 乘客消耗的能量为 △E' =W'=FS' = 5牛×11.25米 = 56.25焦耳 将符合客观事实,将符合能量守恒定律。 但是,对于静止的路基而言,上述力学事件是否适用于牛顿第二定律?惯性系是否等价? 对于静止的路基(静止惯性系K),物体的加速度为 a= F/m = 5牛/2 千克= 2.5米/秒^2 对于静止的路基(静止惯性系K),物体的初速度为v0=30米/秒,推力持续时间t=3秒产生的位移为 s=v0t+(1/2)at^2 = 30米/秒×3秒 +1/2×2.5米/秒^2×(3秒)^2 = 101.25米 乘客消耗的能量为 △E =W=FS = 5牛×101.25米 =505.75焦耳 显然,同一力学过程在不同惯性系中的位移不同、功不同、功能转换不同,违反客观事实,符合能量守恒定律、违反热力学第一、二定律。 牛顿第二定律F=ma,和相对论力学基本方程F=dP/dt,不能完全正确的反映力学过程中力与功的关系,不能正确反映物质世界中能量转换的方向和过程,不能区分真实的位移与虚拟的位移,不能区分优越惯性系。 虚拟的位移对应虚拟力,真实的位移对应真实的力。虚拟的位移对应虚拟的功能转换,真实的位移对应真实客观的功能转换。 因此,在静止惯性系中,牛顿第二定律违反能量守恒定律、违反热力学第一、二定律,使牛顿第二定律在静止惯性系中可以不成立。 同一力学过程在不同惯性系中位移不同,证明力学事件在不同惯性系中的空间间隔不同、惯性系不等价、力(和加速度)在不同惯性系中不等价。 力在不同惯性系中不等价,使牛顿第二定律的方程相对于伽利略坐标变换的协变在数学上成立、在物理上没有客观意义。力在优越惯性系中才具有物理意义,力在相对惯性系中是虚拟力、没有能量变换基础。 力在不同惯性系中不等价,使牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 三、 根据伽利略变换、狭义相对性原理,惯性系平权,A相对B运动等价于B相对A运动。 那么,不同惯性系中观察到,甲撞击乙,等价于乙撞击甲,汽车撞击大树,等价于大树撞击汽车,就符合伽利略变换、狭义相对性原理。但是,显然,这是荒谬的。所以,否定优越惯性系的相对论是荒谬的。 地面上静止的汽车,遵守牛顿定律F=ma产生加速度,然后汽车继续克服地面摩擦力的消耗,遵守机械功W=FS,保持匀速直线行驶、同时汽车装载的汽油在不断减少。汽油的内能损失,能够和机械功W=FS对应,遵守能量守恒定律。 但是,对于以速度v运动的观察者,发现速度为﹣v的汽车,加速时遵守牛顿定律F=ma,经过加速后,保持静止。因此,对于以速度v运动的观察者,发现加速后保持静止的汽车,没有持续产生加速度、没有持续受到牛顿力F=ma,根据牛顿相对性原理、伽利略变换、相对性原理,就只能认为加速后保持静止的汽车没有持续消耗汽油内能,因此就不能解释汽车装载的汽油在不断减少的事实,就违反能量守恒定律。 因此,力学的伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 结论: 力在优越惯性系中才具有物理意义,力在相对惯性系中是虚拟力、没有能量变换基础。 在不同惯性系中,位移与参照系有关,加速度的过程和效果不同、力的作用过程和效果不同,使加速度在不同惯性系中不等价、力在不同惯性系中不等价,使牛顿相对性原理和伽利略变换违反能量守恒定律、违反热力学第一、二定律,使牛顿定律在不同惯性系中不等价、牛顿相对性原理不成立、相对性原理不成立、伽利略变换不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立、广义相对性原理不成立、广义相对论不成立。 |