牛顿第二运动定律的例外(七) 原创作者 马天平(地址 新郑市)(2014-02-07) 摘要:考虑到速度与参照系有关,会影响匀速圆周运动的线速度,进而影响向心力和向心加速度,使向心力没有相对性,使(符合伽利略变换的)力学相对性原理不成立、伽利略加速度变换不成立、牛顿第二运动定律在非优越惯性系中不成立、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立。 (本文是根据笔者2014-01-18的文章"向心力不遵守力学相对性原理的证明"改编、根据2014-01-20的文章"牛顿第二运动定律的例外"改编) 关键词:向心力、力学相对性原理、狭义相对性原理、狭义相对论、 牛顿第二运动定律 对于简单的力学现象,比如匀速圆周运动,由于惯性系的相对速度而改变运动轨迹,那么,牛顿第二运动定律、力学相对性原理、狭义相对性原理、狭义相对论,能够成立吗? 假设静止的地面惯性系K中的x、y轴平面内,质量为m的物体在匀速圆周运动,半径为r,当时刻t0=0的时候,物体处于匀速圆周运动的顶点,以线速度v位于K系的原点、线速度v与x轴平行、匀速圆周运动半径位于y轴上,以速度-v运动的惯性系K'与K系重合。 其中 K'与K系的x轴始终重合。 (静止惯性系K中,可以有另一个物体在反向匀速圆周运动,这样使惯性系K处于合力为零的静止状态)。 分析: 参考,图1,向心力没有相对性。 图1-a,静系中的不同速度。表示不同时刻,物体在K中匀速圆周运动的速度。 图1-b,速度-v的动系中轨迹为摆线。 图1-c,动系中的加速度。
1、 地面惯性系K中,时刻t0=0,在K系的y轴,物体受到向心力F为 F=mv²/r ...(1) 物体受到向心加速度为 a=v²/r ...(2) 地面惯性系K中,匀速圆周运动的向心力大小不随时间变化。 2、 在K'系,物体的运动轨迹是摆线。每一个摆线运动的周期,物体的速度为零一次、速度为2v 一次。 当时刻t0=0的时候,物体位于K'系的原点,物体曲线运动的曲率半径为ρ,物体的运动速度为 v'=v - - v= 2v ...(3) 当时刻t0=0的时候,在y'轴上,物体受到向心力F向'为 F向'= m(2v)²/ρ ...(4) 当时刻t0=0的时候,物体受到切向加速度为a切'(方向与x'轴平行),受到切向力F切'为 F切'= m a切' ...(5) 当时刻t0=0的时候,K'系中物体受到的力合计为F' F'= F切'+ F向' = m(2v)²/ρ + m a切' ...(6) 当时刻t0=0的时候,K'系中物体受到的合加速度为 a'=(2v)²/ρ + a切' ...(7) (如果该物体是磁场中匀速圆周运动的电子,那么显然,电子时刻受到洛伦兹力形成的向心力。如果该物体是引力场中匀速圆周运动的卫星,那么显然,卫星时刻受到万有引力形成的向心力。 所以,在地面惯性系K中匀速圆周运动的物体,时刻受到向心力F=mv²/r,在以速度-v运动的K'系中这个物体仍然时刻受到真实的向心力F=mv²/r 。 如果认为K系中匀速圆周运动物体的向心力F=mv²/r是真实的力,那么,大小与方向不同的F'= F切'+ F向'就不能同样地真实。) 根据(2)式(7)式,时刻t0=0的时候,K'系中物体受到的合加速度a',与K系中物体受到的加速度a不同,说明K'系中物体受到的合加速度a'违反事实。 根据(1)式(6)式,时刻t0=0的时候,K'系中物体受到的合力F',与K系中物体受到的力F不同,说明K'系中物体受到的合力F'违反事实。 因此,a与a'不同、F与F'不同,说明力在不同惯性系中不等价、加速度在不同惯性系中不等价、牛顿第二运动定律在K'系中不成立、符合伽利略变换的力学相对性原理不成立。 3、 在低速情况下,时刻t0=0,物体在K系y轴上受到向心力F为 F=mv²/r ...(1) 在低速情况下,时刻t0=0的时候,在y'轴上物体受到的力为 F向'= m(2v)²/ρ ...(4) 其中ρ是曲率半径。 根据(1)式(4)式,说明物体在y'和y轴轴上受到的力的形式不同。 所以,物体在y轴上的力,不满足狭义相对性原理,否定狭义相对性原理、否定狭义相对论。 4、 根据上面的分析,时刻t0=0,在y轴和y'轴上的力为 F=mv²/r ...(1) F向'= m(2v)²/ρ ...(4) 时刻t0=0,根据相对论力学变换,在y'轴上的力F y'为 F y'=c²/ (c² - uv ) ×F/γ ...(8) 其中γ为相对论因子。 把(1)式代入(8)式,得到 F y'= c²/ (c² - uv ) ×(mv²/r)/γ ...(9) (9)式与(4)式不相等,说明y'轴和y轴上的力不满足相对论力学变换,否定狭义相对性原理、否定狭义相对论。 所以,物体在y轴上的力,不满足狭义相对性原理,否定狭义相对性原理、否定狭义相对论。 5、 如果物体是电荷q,静系中电荷在匀强磁场中匀速圆周运动,那么,匀速率的电荷时刻受到的力F,等于向心力、等于磁场力, F=F向=F磁=qvB ...(10) 但是, 根据(1)式(4)式的形式不同,或者根据(1)式(6)式的形式不同,说明"F=F向=F磁=qvB"在运动系中不能成立。 所以,磁场力F磁=qvB不满足狭义相对性原理,狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立。 结论: 力在不同惯性系中不等价、加速度在不同惯性系中不等价、伽利略加速度变换不成立、向心力不满足力学相对性原理、向心力没有相对性、牛顿第二运动定律不适用于所有的惯性系、牛顿第二运动定律在非优越惯性系中不成立、符合伽利略变换的力学相对性原理不成立。 向心力不满足狭义相对性原理、狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立。 磁场力不满足狭义相对性原理,狭义相对性原理不成立、狭义相对论不成立。 |