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专业: 力学中的基本问题和方法

[交流] 对电场力作用效果的研究已有3人参与

对电场力作用效果的研究
侯马市教研室

王玉生马程普文红阳

摘要：

在现代高能物理实验中，人们都是利用高压电场去加速带电的粒子以求获得高能粒子，去探探寻微观领域的物质结构，或者去验证人们发现的物理规律，因此，研究电场力在极端高速状态下的作用效果，对于分析高能物理实验的结果，具有非常重要的意义。
本文是从电场力的传递角度入手，分析出它的作用效果会受到这个传递速度的影响而减弱，文章通过两个简单的光行事件，导出这个时差纠偏系数和时效纠偏系数的来源，并分析出电场力的作用效果属于一个“作用时效”的问题，有必要引入一个“时效纠偏系数”予以矫正，最后揭示研究结论：电场力的作用效果随受力物体的运动速度增大而减弱，其减弱系数为•（1 – v2/c2）1/2”。这是一个前人尚未知晓的客观规律，这个规律的发现，对于人们重新认识相对论中的“质速关系”，具有非常重要的意义。

关键词：电场力减弱系数作用效果

正文
在自然界中，带电体之间存在有相互的作用力。1785年，法国物理学家库仑研究了在真空中两个点电荷q1和q2之间相互作用力的大小，得出了“作用力的大小与两个带电体所带电量的乘积成正比，与它们之间的距离平方成反比，作用力的方向在两个带电体的连线上，并遵循同性排斥，异性吸引”。这就是著名的“库仑定律”，通常人们把静电荷之间的相互作用力也就称为“库仑力”。

一、库仑力的“传递”问题

库仑定律虽然反映了两个点电荷之间作用力的大小和方向，但它没有从本质上说明电荷间相互作用是怎样传递的，高等教材有这样的描述：对于电力的传递问题，历史上有两种观点：一种观点称其为 ‘超距作用’，认为它是由一个带电体直接传递到另一个带电体上，而不需要借助任何的中间物质，也不需要传递的时间，这种观点已经被科学的发展所淘汰；另一种观点认为是‘近距作用’，它是由电荷在其周围空间产生一种实在的‘场’而实现的，二十世纪的大量实验证实，电场力是以有限速度而传递的，这个有限速度即为光速”从以上描述可知，电场力是一种“传递性质”的作用力，其传递速度为光速c，c = 3×108米•秒-1。

二、电场力的“作用效果”问题

电场力既然是一种“传递性质”的作用力，并且传递速度是光速，那么，它的作用效果就会受到这个传递速度的局限而受到影响，也就是说，电场力在极端高速状态下，作用效果会随着受力物体的运动速度的增大而减弱，其减弱系数是一个与电场力的传递速度和受力物体的运动速度有关的一个因子系数，这个因子系数为•（1 – v2/c2）1/2。把这个减弱系数引入牛顿第二运动定律，有：
a  =  F/m •（1 – v2/c2）1/2       （1）
式中： v表示受力物体的运动速度，c表示电场力的传递速度，减弱系数（1 – v2/c2）1/2是一个平方根的减弱关系。用w表示，即
W =  （1 – v2/c2）1/2                （2）

三、 “时差系数”的出现原因

减弱系数需要通过实验来确定，下面我们通过两个光行实验来讨论这个减弱系数的来源。
实验一：光行事件1
现有一火车以速度为v1匀速行驶在平直的铁道上，在火车车厢内设置一台脉冲式激光仪，激光仪的正上方放置一块平面镜，令激光仪向平面镜发射一束激光，激光束达到平面镜被反射回来至发射原点，光束通过的路程是确定的，所用的时间也是确定的。

在运动学中，描述物体的运动需要选择参照物而建立坐标系，对于上述光行事件，研究者可以以火车车厢为参照建立坐标系，这个坐标系称为“运动坐标系”，简称“动系S”；研究者也可以以地面为参照物而建立的坐标系，这个坐标系称为静止坐标系，简称 “静系O”，用这两个不同的坐标系，去研究同一个光行事件，结果会怎么样呢？

（a）、选择车厢为参照物建立坐标系，在这个坐标系（运系s系）中，激光束在水平方向没有速度，v= 0，在竖直方向上速度为c，运动一个来回通过的距离是2h，所用的时间为t，如图1所示，（插图1）根据路程与速度的关系有：

2h  = c t    （3）

求得时间为：

t  = 2h /c    （4）

（b）选择地面为参照物，我们以光在平面镜上的入射点为原点建立的坐标系，在这个坐标系（静系O系）中，光在水平方向上横移的速度与火车运动的速度相同为v，在竖直方向上速度为c，光的合速度则为c，如图2所示，´

根据速度合成原理有：

c´2  =  v2  +c2       （5）

在图中，光束通过的路程是两个斜边，一个斜边是c´光在1/2t所通过的距离,一个直角边是光束在1/2t横向位移的距离，另一个直角边是h,根据勾股定理有：

（1/2 c´ t）2 =  h2  + （1/2 v t）2             （6）

将（5）式代入（6）解得：

t = 2h /c                         （7）

比较（4）式和（7）式，完全相同，说明用两个不同的坐标系研究同一个事件，坐标系是等价的。

虽然上述两个坐标系是等价的，但是光的运行速度在两个坐标系中确是不等价的，在静系中，光束对于坐标横向位移，造成光的合速度c´增大，而且随着火车运动速度的增大而趋于非常大，如果没有搞清楚这个原因，硬把静止坐标系中的光速c´说成是运动坐标系（S系）中的光速c，那么，解（6）式得：

t = 2h /c / （ 1 –v2/c2 ）1/ 2    （8）

将（8）式与（4）式比较，就会发现“静系”比“动系”在时间的计算上，多出了一个因子系数，这个系数是人为因素造成的，因为出现在时间的计算上，我们把它称为时差系数，用w´表示

W´ = 1/（ 1 –v2/c2 ）1/ 2          （9）

这个因子系数将随我们着火车运动速度的增大而趋近于非常大，它的倒数将随着物体的运动速度在增大而趋近于无穷小，我们把这个倒数用w表示，即：
w  = （ 1 –v2/c2 ）1/ 2             （10）
在实际研究中，人们在测定运动状态的物体时，从动态物体上发射出来的光或者是被反射回来的光，其光速不是c，而人们又把它处理为c，因此，在计算结果上就会出现一些偏差，因此，需要引入一个纠偏系数予以矫正。这是坐标系对于光行横移引来的偏差。

四、“时效系数”的出现原因

实验二，光行事件2

现有一列火车以速度为v  =  20米•秒-1匀速行驶在平直的铁道上，在火车的车厢内设有一台脉冲式激光仪，令其每秒种向外发射一束激光，时间间隔为1秒。

为了研究这个激光仪发射激光束的时间间隔，我们可以利用两个完全相同的测光仪去测定，一个测光仪设在火车车厢内，随火车匀速向前运动，用w1表示；另一个设置在火车前方的铁道上方，用w2表示。

（c）、w1的测定

由于w1随火车匀速向前运动，属于同坐标系中实验仪器的测定，每两束激光束之间的距离是光在1秒钟内运动的距离为۟3×108米，激光束对于测光仪的运动速度是C，我们选第一束激光到达测光仪的时间开始计时，时间间隔用t表示，根据路程与速度之间的关系有：

S  =  C t                   （11）

代入数据解得：

t = S / C  = 3×108米/  3×108米•秒-1  =  1秒

测定结果表明，在同一个坐标系中，测光仪测定出来的时间间隔与激光仪发射激光束的时间间隔是一致的！

（d）、w2的测定

由于w2设置在火车前进方向的铁道上方，对于地面是静止的，属于静系测定动系的物理量，因此，测定起来就存在有两种情况，一种是激光束靠近测光仪的情况，另一种是激光束远离测光仪的情况。

(1)、激光仪靠近测光仪的测定：

从第一束激光达到测光仪开始计时，第二束激光发出时，火车到测光仪的距离减少了20米，激光束对于测光仪运动速度是C´= C + V ，根据路程与速度之间的关系有：

t2 = S / C´                   （12）

代入数据解得：

t2 = S / C´ =（3×108米- 20米） /  （3×108米•秒-1 ）+20米•秒-1
  ≈  0.9999998667秒

计算结果表明，测光仪测定的激光束的发射时间间隔比激光仪实际发射的时间间隔小了一些，似乎是它发射的时频加快了。（注意：测定结果与实际发射的时间间隔有偏差）

（2）、激光仪远离测光仪的测定：

当火车超过测光仪后，激光仪向测光仪发射激光束也从第一束激光束达到测光仪开始计，第二束激光发出时火车与测光仪的距离增大了20米，激光束对于测光仪运动速度是C" = C-V，根据路程与速度之间的关系有：

t3 = S / C"                      （12）

代入数据解得：

t3 =  S / C =3×108米+20米 /  （3×108米•秒-1 -20米•秒-1 ）
  ≈  1.0000001333秒

从w2的测定结果来看，测定出来时间间隔t3比激光仪实际发射激光的时间间隔t大，似乎是发射时频拉长了，是时钟变慢了，并且这个偏差随着坐标移动速度的增大而趋近于非常大。
从整个测定过程去看，激光仪放置在火车上，火车的运动速度没有改变，火车的运动方向没有改变，但是，w2的测定结果却出现了变快和变慢两种偏差，这种偏差随着火车的运动速度的增大而趋近于无穷大。如果用坐标系去分析上述的实验结果，测光仪是“静系”中的仪器，而火车上的激光仪是“动系”中的物理量，“动系”中的物理量在“静系”中是不等价性的，如果把激光仪发射频率看做是一种时钟的时频，当它靠近测光仪时时间间隔变小，显得 “时频”变快，当它远离时，时间间隔变大，显得“时频”变慢，可见，爱因斯坦在相对论中描述的运动时钟变慢，就是远去的情况，属于测定效果的问题，当时，他只是“考虑”到了远去的时钟，并没有考虑到靠近的时钟。

五、电场力的作用效果

在高能物理实验中，人们采用高压电场去加速带电粒子，电场力可以看作是一种推动作用力，这种推动力去推动一个远去的受力物体，这就好比是一些连续的小枪弹碰撞一个悬空的大木块，大木块产生的加速度会随着木块运动速度的加大而减小，当木块的运动速度接近于这个碰撞速度时，加速度变小，当大木块的运动速度等于这个碰撞速度时，加速度消失，这是由于碰撞不到引起的，并非是木块的质量在趋近于无穷大！

如果用坐标系分析，电场力是 “静系”中的作用力，而被加速的带电粒子属于“远离状态”的运动物体，“静系”中的物理量在“动系”中也是不等价的，它随着“动系”的移动速度在增大而趋近于无穷小，因此，我们需要引入一个减弱系数以反映这种作用效果的减弱，这就是减弱系数的出处。
篇末语：

在二十世纪初期，爱因斯坦推出了一个相对论，以解决电场力在高速状态下的加速度问题，他是在牛顿第二定律中引入了一个质量增大的系数，认为是在高速状态下运动物体的质量趋近于无穷大，实际上，这是一个误解，物体的质量是物体含物质的多少，怎么可能在高速状态下趋近于无穷大呢？实际上，这个加速度的减小是电场力作用效果减弱引起的，至于相对论中的其它推论，诸如：运动长棒在高速状态下沿运动方向收缩，运动时钟在高速状态下变慢，都是不可能的，它们只是一个测定效果问题，需要引入纠偏系数予以矫正的。
本文研究的是一个重要的科学发现，那就是电场力在高速状态下，作用效果会随着受力物体的运动速度的增大而减弱，减弱系数是•（1 – v2/c2）1/2 ，把它引入牛顿第二运动定律中得：a  =  F/m •（1 – v2/c2）1/2 ，可用于解决高速状态下物体的加速度问题，这个式子的发现，将意味着爱因斯坦在相对论中描述的“质速关系”是错误的，也将意味着垄断力学理论近一个世纪的相对论，将结束它的服役期限！

本文作者：王玉生、马程普、文红阳
作者单位：山西省侯马市教研室
邮政编码：043000

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