生活中的時間、質量和速度

王譯浠

摘 要：在物理學科的學習中，由于物理理論總能引導人們向未知的領域進行探索和研究，這就為我們研究物理提供了一個更為廣闊的空間，本文從生活中的時間、質量和速度入手，結合自己的設想，對時間守恒和質量與速度的關系進行了推理研究。

關鍵詞：物理 相對論 時間守恒 質量 速度

在學習物理的時候，由于物理的抽象性和應用型，使高中生在聽完老師對于理論的知識講授后，很自然的聯想到一些日常中的物理現象，比如為什么在零度以上冰會融化為水，為什么月亮圍繞地球旋轉，地球圍繞太陽旋轉等等，但也有的時候，現在學習的物理知識并不能解決我們在內心的一些疑惑，比如愛因斯坦的相對論如何結合物理知識進行深入的闡釋等等，這就給我們在課余時間留下了一個很大的探索空間，現結合高中所學的物理知識，通過自己基于書本所學的研究，對生活中的時間、質量和速度進行簡單的分析。

一、生活中的時間

在學習萬有引力的時候，讓我們懂得了正是因為萬有引力的存在，才使地球在引力的作用下旋轉，進而產生了時間，當學習了質量守恒定律之后，又讓我產生了一個疑惑，既然質量可以守恒，那時間是不是也可以是恒定的，也就是其實還有一條時間守恒定律存在呢？為此，我做了一個推論：

在太陽系中， 所有以橢圓軌道繞太陽公轉的星體都遵守時間空間守恒定律： 星體等效圓軌道半徑R三次方除以公轉周期T二次方等于一常數GM/4π^2， 有

R^3/T^2= GM/4π^2 （1）

公式（1） 中萬有引力常數G= 6.672*10^-11牛頓*米^2/千克^2， 太陽質量M=1.9891*10^30千克.

例如， 地球公轉周期T=365.256日=31558118.4秒， 根據萬有引力定律，

V^2*R=GM （2）

V^2*V*T/2π= GM， V^3*T/2π= GM， V=（2πGM /T）^1/3 （3）

公轉平均速度 V=（2πGM /T）^1/3=29784.76281（米/秒），

等效圓軌道半徑 R=GM/V^2=1.495975094*10^11（米），

R^3/T^2=[1.495975094*10^11]^3/（31558118.4）^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2），

觀測地球公轉平均速度是29790（米/秒）， 相對誤差為0.017%.

例如，冥王星公轉周期T=90800日=7845120000秒， 據公式（3）

公轉平均速度 V=（2πGM /T）^1/3=4736.941078（米/秒），

等效圓軌道半徑 R=GM/V^2=5.914481664*10^12（米）， 則

R^3/T^2=[5.914481664*10^12]^3/（7845120000）^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2），

觀測冥王星公轉平均速度是4740（米/秒）， 相對誤差為0.064%.

例如，哈雷慧星公轉周期T=76.2年=2404728622（秒）， 據公式（3）

公轉平均速度V=（2πGM /T）^1/3=7025.477094（米/秒），

等效圓軌道半徑 R=GM/V^2=2.688815548*10^12（米）， 則

R^3/T^2=[2.688815548*10^12]^3/（2404728622）^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2）

例如， 恩克慧星公轉周期T=3.3年=104141790.7（秒）， 據公式（3）

公轉平均速度V=（2πGM /T）^1/3=20005.8112（米/秒），

等效圓軌道半徑 R=GM/V^2=3.315891589*10^11（米）， 則

R^3/T^2=[3.315891589*10^11]^3/（104141790.7）^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2）

計算結果表明， 以平均值的概念， 建立在牛頓萬有引力理論基礎上的時間、空間守恒定律是協變的，有R^3/T^2=GM/4π^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2）. 時間、空間守恒定律不但適用于偏心率較小的行星， 也適用于偏心率很大的周期慧星. 對星體在橢圓軌道上平均速度精確的計算結果無可辯駁的證明了協和定律， 即星體等效圓周長等于橢圓軌道周長， 有2πR=2πb+4（a-b）.因此， 時間、空間守恒定律是牛頓萬有引力定律全面精確的表述。

二、生活中的質量和速度

動量守恒定律和能量守恒定律以及角動量守恒定律一起成為現代物理學中的三大基本守恒定律。最初它們是牛頓定律的推論，但后來發現它們的適用范圍遠遠廣于牛頓定律，是比牛頓定律更基礎的物理規律，是時空性質的反映。其中，動量守恒定律由空間平移不變性推出，能量守恒定律由時間平移不變性推出，而角動量守恒定律則由空間的旋轉對稱性推出。在眾多的定律中，我對于老師講授的速度越大質量越大比較不理解，因為這種情況在生活中應用起來并不是十分準確的，后來通過結合所學的物理知識和一些相對論的知識，我發現由于很多的物理知識只憑在書本上和實際操作中進行感知是遠遠不夠的，它還需要我們去除一些在現實中存在的附加之力的作用，把物體想象成在一個處于絕對實驗的條件下進行探索，比如對于速度越大質量越大這個理論，根據相對論，對于運動物體而言，其運動質量的確要大于靜止質量，這一效應要在速度相對于光速具有可比性時才會明顯，所以生活中我們無法察覺（光速為每秒30萬千米）。而高速運動的物體我們無法用生活常識去解釋了，就如同牛頓力學在微觀世界失效一樣。所以有的時候不能根據日常生活中的實際情況進行探究。

再如，為什么高速運動的物體質量會變大呢，我認為對于高速運動時物體相對質量大于靜止質量這一問題，是從數學理念上解釋的，而且是站在不同的慣性系觀察的速度不同這一基礎上的，并沒有解釋增加的質量到底是什么，但可以根據愛因斯坦質能關系來理解增加的質量為增加的能量，因為E=mc2；也可以這樣理解：對于高速運動的物體A，處于靜止的人無法用同樣處于靜止的測量工具進行測量，而對于具有與A同樣運動速度的測量工具（如天平），相對于物體A來說是靜止的，所測出的質量也是靜止質量，即該物體質量沒變，但是，如果沒有相對靜止的測量工具進行測量的話，就要附加上一定的物體運動能量，這樣物體的質量就會在運動中變大。

結語

綜上，本文通過高中物理知識和自己的探索，對生活中的時間、質量和速度進行了簡單的探討，可以說，生活中的物理學雖與我們生活密切相關，但是也有很多是看不見、摸不到的，它需要運用我們的想象和聯想能力，對于物理知識進行對比分析，把物理的一些理論放在一個相對沒有附加因素的實驗環境中去探討和探索，只有這樣，才能找到物理理論的真正使用之處。

參考文獻

[1]羅邵凱，郭永新.轉動相對論系統動力學的積分理論.[J]物理學報.2001；

[2]楊光平.密度、質量、體積與速度、路程、時間的計算.[J]物理教學探討.2004