“假设与探索”这个栏目,是专门用来发表哪怕只有一点科学道理的探索性、假设性文章。一个伟大的科学家,并非生来就是。而是在对自然这个客观存在的奥秘进行详察、复举、实验、论证才有所发现,获得真理。因此,我们希望大学生、中学以及一切有志于科学技术的人,把你认为有“一点科学道理”的认识写出来,寄给我们。如果是错误的,也不要紧,由别人指出,自己也就得到了真理。这期我们发表吴耀棠同志的有关对两个物理现象的认识文章。对与不对,是否真有科学道理?大家可以讨论。
1. 物体运动,大家都见到过,普遍存在于我们周围。
我们人能够在地球上运动,必须用脚蹬着地球,地球就向反方向推我们前进。人所以能这样是有条件的。那就是必须要有地球同时存在,假如没有了地球,只有我们孤零零的一个人,不论我们的脚无论怎样向后蹬也是无法前进的。
汽车的运动也是依附在地球上行进的。假如没有了地球,只有一辆汽车存在,那么无论它的车轮转得怎样快也只能是空转,整部汽车是不会前进的。当然轮子不运动,它又是依赖于其他东西而发生。太阳系行星运动,必须围绕着太阳。
双星的运动也是互相依存的。
只有一个物体存在是不会有运动的,要有了两个以上的同时存在着的物体,才有物体的运动。这就是物体运动“依托性原理”。物理学上的运动,必须有参照物,没有参照物,就无法说明运动。
2. 根据分子物理学和热学的知识我们知道,所谓“热”,实际就是物体分子无规则运动的动能,物体的温度就是物体分子平均动能的标志。我认为宇宙间任何一个星球都具有一定的温度,没有一颗星球的温度是绝对零度。
上热核聚变剧烈,所以太阳表面温度就很高。
地球上没有天然的热核聚变反应,分子运动并不剧烈,所以表面温度较低。不会自己发光发热,地球是太阳光和热的受体。
根据自由落体运动定律,一个大铁球跟一个小铁球在真空里自由下落的加速度是完全一样的。这是300年前伽利略以实验证实了的。如果让小铁球的质量无限地小,小到不能再小,小到只有一个分子。让一个铁分子在真空里自由落下,那么会发生怎样的情况呢?毫无疑问,一个铁分子在真空里自由落下的加速度也是一样的。物体下落的加速度跟它的质量大小无关,不论是几十吨的大陨石或一个基本粒子,在真空里都会以同一加速度下落。
在正常的情况下,气体分子是一个个独立存在于空中的。它们受到地球引力的作用当然就会发生向下运动。运动后又会发生碰撞,碰撞后就会向相反方向运动。由于分子数量极多,碰撞经常发生。这就造成了气体分子复杂的无规则运动了。
大家知道,理想气体的状态方程是:P1V1/T1= P2V2/T2。这一方程表明:一定质量的理想气体的压强和体积乘积被它的绝对温度来除所得的商,在状态变化中是恒定不变的。
如果地球引力比原来增加1倍(当然这是不可能的)。地球上将会有什么变化呢?由于物体的重量是由地球引力的作用产生的,因此地球上一切物体的重量都会增加1倍。空气的重量也会增加1倍。而大气压强是由空气的重量产生的,大气压强也一定会增加1倍。
根据理想气体状态方程,理想气体的压强,体积或绝对温度中,有一个量改变了,其余两个量,(或其中一个量)是一定随着改变的。地球引力增加1倍,分子向下运动的加速度将增加1倍。根据动量守恒定律,分子经过碰撞以后就能以大小相等方向相反的速度运动。而分子向上运动的减速度也同样增加1倍。所以在地球引力增加1倍的情况下,气体所占据的空间,也就是气体的体积实际没有多大改变。而气体的绝对温度则比原来增加1倍了。
我们知道,理想气体的压强公式是:P=2/3 n(1/2 mvz)这公式表明:理想气体的压强跟它的分子运动的平均动能成正比。
我们又知道,理想气体的能量公式是:l/2 mvz =3/2 kT。这公式表明:理想气体的绝对温度也跟它的分子运动的平均动能成正比。
自由落体运动的公式是:V2=2 gh。这公式表明:在高度不变的情况下,落体运动的速度的平方跟重力加速度成正比。
所以地球引力增加1倍,气体分子运动的速度的平方就要增加1倍,也就是分子运动的动能增加1倍,这就刚刚引起了气体的压强和绝对温度同时增加1倍。
这个问题的最后结论是:地球上理想气体的绝对温度跟重力加速度成正比例。