速度的问题之三
                               ————震动与波(下)

本文主要采用物质运动形式和物理概念相对应的模式对声波进行了系统结构的分析,提出了声波传递、作用的新的概念。并在此基础上提出一种新的能量概念描述模式——作用变化率。

本文尝试了采用统一的描述模式对所有的波动现象进行描述,对此引入了一个新的概念——作用变化率。这一概念是和普通的物体运动、波动以及电磁理论相接轨的概念。


    在上篇文章,我们探讨了采用物质运动的模式去描述水面波的运动,现在我们来探讨关于波的进一步的问题,关于采用物质运动模式去描述水面波。(请您参见上篇文章)。

传统物理学中描述波的物理量和采用物质运动变化进行描述的量的对应描述

    1、波前和波线

    “震动位相相同的各点连接起来组成的一些曲面叫做同相或波面。某时刻波到达的空间各点所连成的曲面叫做波前或波阵面。波的传播方向叫做波线或者波射线。”如上的概念是传统物理学中的典型的概念。

    在这里我们可以看到,在传统物理学中对波的描述概念是来源于整体的波动的概念,在描述的过程中,更重要的不是物质的运动本身,而是波动过程中所反映的整体的运动形式。可以认为,在这个基础上,奠定了波动学的整体解释模式。下面我们再来看波动物理量的分解上的情况:

    2、波长、周期、频率和波速

     (1)四个特征概念

      “同一波线上两个相邻同相点(位相差2π)之间的距离叫做波长。”

      “波传播一个波长距离或向前发出一个完成波所需要的时间叫做波的周期。”

      “单位时间内波前进距离中的波长数或者单位时间内传出的波的个数叫做波的频率”

      “震动状态传播的速度叫做波速”

       如上四个概念构成了传统物理学中对波动现象进行描述的概念基础,确定了如上的四个概念,就可以确定波的特点,这是在传统物理学中描述波的四个特征概念。

      (2)四个特征概念的优点和缺点

    我们在对物质运动变化进行描述的时候,总需要我们对物质运动变化的本身进行定量,波的物质的运动形式也不例外,我们需要确定波这种物质运动行为的特点。

gsdwt-3-1.gif (2726 字节)    我们先来看普通的一个波源给与我们的作用。

    如图:

    一位观测者观察一列波,比如水波。首先他观测到在单位时间里有n列波到达观测者面前。在对于波的描述中,我们通常把它叫做频率。我们也可以理解成观测点受到波的n次的作用。我们知道,“同一波线上两个相邻同相点(位相差2π)之间的距离叫做波长。”那么我们只要知道波长和频率,就可以根据介质的属性对波的运动进行描述了。我们通常采用波速等于波长乘以频率对波的传递速度进行描述。

        这样的描述对于将波作为一个整体看作研究的对象是方便的。我们可以在数学上很方便的推倒它们之间的关系。在实际应用中,我们只要确定了波源和观测者之间的距离,并且确定波源和观测者之间有多少个波长,比如水波的波峰,我们就可以通过观测者单位时间里通过多少个波峰对波进行确定,就可以根据波动学中各个物理量之间的关系确定波。我们可以看到,采用波的描述模式对水面波的运动进行实际运动描述是很方便的。

    下面有一个问题就产生了——这种波的描述方法是不是可以应用于整个的波动学领域。我们知道,波动学不仅仅限于水面波,除此之外还有机械震动,电磁震荡以及解释光学现象中将光也纳入到波动学的领域,对于所有的这种物质的波动行为,我们是否可以采用波长、频率、波速、振幅、能量等之间的关系进行描述呢?很显然,我们通过所有的波都具有波动的模式,从而采用通用的波的描述模式对此进行统一的描述是不能让人们满意的,尤其是涉及到波和物质间的相互作用上。

   这主要是由于产生波的力学结构不是相同的模式(比如水面波是由万有引力及激起水波的动量或者冲量决定、声波主要取决于声源发出的周期性的震动或者给与空气截面周期性的动量变化、电磁波是电磁相互作用)。虽然在传递波的运动形式上(反映在数学的形式上或者物质周期作用的形式上)都是相同的,但它所描述的物质间的作用是不同的。形式上的描述不能代替物质实际作用的描述,因为物理所追求的是物质运动变化的原理。

    另一方面是形成波传递的物质环境、状态和波的属性有绝对的关系——比如:传递波的介质的存在状态(是否存在运动以及其它的可能如:温度,我们知道声速和空气的绝对温度有很大的关系)、和波发生作用的物体的运动状态(比如:相对或者远离波源运动,传统物理学中叫做紫移或者红移,但实际上紫移或者红移这两种简单的描述并不是很合适,尤其是从物理的角度上来看这个问题。在后面我们要讨论两者)。

   当然,在波动学中,传统物理所采用的描述方法也不是固定不变的,而是随着不同的波存在不同的方程,应根据波的属性而改变数理关系所对应的物理量的关系。但是,在波的理论概念和波的形式上还存在某种分歧,反映在波的理论概念和物理概念的对应上。不能完成物质运动的属性和波的概念的对应,如:

    我在这里提一点,通常的物理学中都将所有的光都看作电磁波,认为是通过电场和磁场间相互转化进行传播的。但实际上这样的描述并不是合适的,比如:质子和电子在空间中的碰撞,质子和电子的碰撞只有一次,没有第二次,它所产生的电磁波就不可能是一种周期的电磁波,只能是只有一次脉动的电磁波。那么我们采用波的描述模式对这种电磁波进行描述,尤其是波长和频率进行描述,很显然,这样的描述是不合适的。当然,在传统物理学中对这个领域引入了光子的概念进行描述,赋予它具有波的属性同时也具有粒子的属性,这样的描述对于描述运动物体的本身来说也是不合适的。我在测不准关系和波粒二像性中曾提出过关于此的部分看法,您可参阅。

   我想也许近代物理中将波的属性纳入到物质的属性,数学中形式上的描述是其中的原因之一。

    在上篇文章中采用物质本身运动的模式描述了水面波的运动,对于波和物体的作用,还原到物质运动本身的描述也可以做到很合理的解决波的传播描述。

   我在这里说明一下:

   本文并不是说波动学不能应用于波动现象或者波动领域,我只是想说明在波动的领域中也存在波动学所不能合理解决的问题,这是由波动学的形式描述所决定。不论是采用运动物质本身的描述方法还是采用波动学的方法,如果描述过程没有问题,那么两种描述方法具有等效性。

   但是,在涉及到物质间的作用问题上以及物质间作用属性的判断上,波动学将会是彻底失效的。波动学的描述方法不能应用于物质基层属性的判断上,如基本粒子。

   3、波的能量

    (1)波和非波物质的作用

   在讨论波的能量之前,我们先来看看波和物质间的作用形式。

    一、水面波给于水面上的物体的作用形式。

    如果一个平静的水面上存在一个在水面上飘浮的物体,那么这个水面上所存在的任何一种水面波都回合水面上的这一物体发生作用,如图:

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    图中左边划的波线表示一列波,右边的黑方块表示水面上一个物体,这个图表明水面波和物体的作用。我们下面来看看水面波和物体的作用情况。

    我们知道,水面波所形成的结果是水面水的质点按波动规律上下震动,在周期和频率上表现为波源的震动规律。

    一个在水面上停留的物体是受到水面的浮力的,如果它周围的水面高了,那么水会对它产生浮力,使它上移,这样水面上周期性的水面波也会使它进行周期性的上下浮动。水面波和水面上的物体的作用完全依赖于高出水面的水波形成的高出水面的水面给与物体的浮力。

      二、地面上的震波

   如果我们对地面施加一个冲量,比如用一个榔头去敲击地面。如图:首先我们确定敲击的过程中榔头是通过动量或者说冲量的形式给与地面施加作用的。在这里,我们探讨一个波动过程。

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    当我们用榔头撞击地面的过程中,撞击点产生的作用在地面上和地下会产生两种力的作用,一种是地面波(图中左面的两个图),这种作用会沿着地面进行传播,这种波的形式和水面波是类似的。地面一点的震动强度会和震源的距离成反比。可以认为是和撞击方向是横向的传递。榔头撞击过程中的另一种作用波和撞击水面的冲击波是类似的,(图中右面的两个图)。地下一点的震动强度和撞击点(振源)之间的距离的平方成反比。可以认为和撞击点之间的方向是纵向的传递。

    此外,沿地面方向可以认为地面波的震动是最大的,逐次随地表的深度的增加地面波的传递强度逐渐趋向于零。同样,地下的冲击波也同样是这样,可以认为沿撞击点撞击的方向是冲击波的传递强度是最大的,在地表面的传播(撞击点撞击横向方向)趋近于零。

    采用普通语言的方法进行描述,存在这种局限性,不能精确的将地面的波的传递描述的清楚,我在这里只是想说明在波动过程中所存在的力的作用关系和作用模式,不是探讨对整体的波的定量的描述。

   三、声波

    声源的种类是非常多的,有非常复杂的也有非常简单的,在这里我就选择一个简单的声源模式进行说明。

   (1)铜锣的发声运动过程

    我们敲击铜锣,铜锣会发出震动,并形成声波在空气中传递。我们在这里来看铜锣一个波长的产生过程。如图:

gsdwt-3-4.gif (3076 字节)     当我们撞击铜锣时,铜锣表面会由于撞击发生形变,使撞击后的铜锣面形成一个凹面,铜锣将撞击的动能存储成铜锣表面的弹性势能。这一过程铜锣是不发声音的,或者即使发声音,其波长也很长,我们不能听到这种声音。

    铜锣发声音的过程是铜锣的弹性势能和铜锣表面的震动动能相互转化的过程。具体情况如下:

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     铜锣表面在它本身弹性力的作用下开始运动,这时铜锣表面是凹面的(上面的图),铜锣表面的弹性势能最大,加速度最大,但初速度最小。当铜锣表面到弹性势能为零,加速度为零,但运动速度最大时,这时的铜锣表面基本上是一个平面(中间的图)。而后,铜锣表面开始做减速运动,一直到铜锣的震动动能为零,这时的铜锣表面的运动速度为零,反向加速度最大,速度为零,弹性势能最大,请注意,这时的弹性势能和撞击后初运动时的弹性势能使铜锣表面的运动方向是相反的。

  如上的过程是铜锣发声过程的半个波长。如图:

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   在传统波动学中,如上的铜锣过程是和上1/2个波长相对应的。下半个1/2波长将重复上面的过程,不同的是铜锣表面的运动方向和加速度的方向是相反的。

  (2)铜锣发声过程对介质的作用

     我们知道,竖直放置的铜锣有两个面,在这里,为了方便的对铜锣的发音过程进行描述,我把敲击铜锣的一面称作A面,而把另一面称作B面,我们来看看铜锣在震动过程中对空气分子的作用。如图:

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      图中小白球表示空气分子,两个曲面表示正在进行震动的铜锣面。我们必须确定铜锣震动形成的声波是通过铜锣表面和空气分子的弹性碰撞来实现的。关于这样处理有两点依据;一个依据是将闹钟放到抽空空气的容器中让它震铃,我们将听不到它在空气中震动时的震铃声。第二个依据就是气体分子在发生碰撞过程的前后,分子的结构状态是不变的。空气分子不会因为碰撞而分解成空气几种元素的原子,当然也不会化合成其它的物质分子。如果空气分子的前后状态不变,那么空气分子和铜锣的碰撞必然是弹性碰撞。

  正在震动的铜锣面和空气分子的碰撞和两个空气分子之间的碰撞是不同的,两个空气分子之间的碰撞可以认为是碰撞前后,两个空气分子的动量在宏观统计上是不变的,因为宏观统计上,空气分子的动量是相等的。即:温度是相同的。但是,震动的铜锣面和空气分子的碰撞将会使空气分子的动量增加。为了便于描述,我在这里将空气分子看作等质量的分子。这样就可以不用考虑不同质量分子的动量,而直接采用速度进行说明,这样更直观一些。(实际上,在宏观统计上,也可已经空气分子看作具有固定质量的常数,这样只是近似的处理)

   在铜锣面的震动过程中,我们这里看铜锣面震动的1/2个周期。从铜锣面初加速度最大到初减速度为零。也就是在铜锣的发声运动过程我说明的过程。(如图中的前1/2个周期)

      (我在这里必须说明一下,这个图中的振幅和传统物理学中的振幅是不同的。传统物理学中的振幅所表示的是震动强度,反映到气体分子的运动上,它所表示的是气体分子周期运动的数量。而我在这里所说的是一个分子在碰撞前后增加的速度。这点是需要注意的。这也是传统物理学中所忽略的问题。)

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    图中振幅最大的地方,就是铜锣面震动过程中运动速度最大值。我们只考虑这一刻的铜锣和气体分子的作用,这一刻,铜锣和气体分子的作用是最强烈的,我们找到这个数值,在和铜锣面初加速度最大到初减速度为零的两个点和空气的作用相比较,这种数值是一种渐变的。我们根据这三个点的数值就可以知道其它的数值。如图:

gsdwt-3-11.gif (1789 字节)     我们假设空气分子在和铜锣面碰撞前的运动速度为v,铜锣面的运动速度为v1,那么,我们根据一维弹性碰撞,就可以近似得到碰撞后空气分子的运动速值为|2v1-v|。关于计算方法,采用普通的一维弹性碰撞方法就可以了。采用力学的计算方法您可参见机械运动的能量体系。在铜锣面的速度为零时气体分子和铜锣面碰撞后可以认为,气体分子的运动速值仍然为|v|。

    当铜锣面从凹面开始最初加速运动的时候,这一刻对应上图前1/2个周期的开始,当铜锣面的动能完全转化为铜锣面的弹性势能的时候,即铜锣面形成一个凹面时,这一刻对应前1/2个周期的结束。 

   我们知道,物体的刚体的性质越好,那么它在震动过程中所产生的震动频率就越高。那么在它震动时速度最大时和空气分子碰撞后,气体分子的速度和碰撞前的速度的差距就越大。

    这样,从物质运动变化的含义上,我们找到了声波的含义。在声波的坐标图中,横轴表示时间,纵轴表示空气分子在和震源碰撞后所获得的速度增量(严格的说动量增量)(请注意,这和传统物理学中的划分的方法是不同的,请区别物理量的关系)。

    我们在整个过程中所考察的只是一个碰撞分子的情况,实际上是整个和铜锣碰撞的气体分子面。对此只要对碰撞的气体分子进行积分就行了。

    以上我们讨论的都是铜锣A面的作用,B面给于介质的作用和A面发出的作用是相反的。碰撞前后气体分子运动速度的变化时相反的。即:相差1/2个波长。当铜锣A面给与空气分子的作用是使气体分子运动速度增加时,则B面给与空气分子的作用则是使空气分子的运动速度减小。这一点要注意,A面和B面发出的声源不是相同的波源。而是相差一个波长1/2的波源。

    此外在讨论铜锣给与空气介质作用的时候忽略的问题。

     忽略了使空气的密度增加,因为在空气中传播时这种效应是很微小的。

     忽略了在碰撞过程中产生的相对温度。关于相对温度,您可参见机械运动的能量体系。空气分子和铜锣碰撞的时候,一个面相对温度增加,另一个面相对温度降低,可以认为两种效应可以互相抵消的。但理论上有这样的过程,当铜锣A面在碰撞时使空气分子的运动速度增加的时候,那么,在B面则是使空气分子运动速度降低,这个过程中将会在A、B两个面上形成一定的温差,发生温度传递,从A面传向B面。另一个过程则相反。

  (3)声波的传递

    大家也许会存在这样的疑虑,如果声波在空气介质中是通过空气分子运动速度(或者说动量,请注意,采用动量是严格的说法,采用运动速度是将空气分子看作固定的分子量)变化这样的作用模式,那么是不是在传递过程中存在很多困难呢?比如:在震动过程中获得一定动量的气体分子在和其它气体分子的碰撞过程中,是不是会将在震源中获得的大于气体平均动量的动量会均分到其它气体分子身上。

  气体分子在三维碰撞过程中,最终是将大于气体分子的平均动量的动量均分到其它气体分子身上,这种现象发生在不同的气体分子身上。比如氮气和二氧化碳。由于空气中的绝大部分气体是氧气和氮气,这两种气体的质量很接近,因此实际上这种衰减是很小的。

   根据一维弹性碰撞,质量相同的弹性体之间的碰撞只是交换速度(或者说交换动量),另一方面,由于分子的运动速度很快,因此声音在空间中是可以传递一段距离的。

   关于声波的震动强度在空气中的衰减情况:这一点由于声波的传递是在空间中传递的,是三维波。我们可以确定在不考虑气体分子在碰撞过程中不损耗的情况下,声波的振幅和距离的平方成反比。但实际上,随着声音传递的距离越远,在分子碰撞过程中的损耗也越快。空气的成分越复杂,衰减也越快。

   由于声波是通过碰撞进行传递的,那么气体分子的运动速度越快,声波的传递速度也越快。这样,声波和温度存在确定的关系。

  (4)声波对非介质的作用

   声波会对非介质物质产生力的作用,古代人就发现了钟声和挂在墙上的铜锣发生共振的现象。现在我们把它的产生共振归结于声波的震动频率和铜锣的固有震动频率是相同的。但实际上,除了这个原因以外,还有力学的原因。

   如图:

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   我们通过本文的分析,可以确认声波给于非介质物质的作用是通过空气分子从声源获得的大于平均气体分子的运动速度(动量)的传递。如果声波遇到一个物体如铜锣,左侧的铜锣A面将会首先接受到这种作用,B面有一个延迟的时间,并且由于存在矢量的方向,B面所受到的这种作用是很微小的。这样就会形成一种周期性的作用力。如果这种周期性的作用力和铜锣的固有震动频率是相同的,那么铜锣将会成为一个声源。

   我们知道,铜锣作为一个声源,在A面由于受到周期性的大于平均空气分子动量的作用,在A面产生的声源是很微弱的,它所产生的声源主要是B面发出的声源,这个声源和使铜锣震动的声波是相差一个波长1/2的波源。

   如果铜锣就是一个平的圆铜片,如B位置的铜锣(和声波的传播方向是平行的或者说是竖直的)。铜锣的A面和B面受到声波的作用将会是相同的。那么我们可以肯定,即便是和铜锣的固有频率相同的声波,铜锣也不会发出声音。或者说不能进行共振。

  (5)声波中的一个新的关系。

  在传统的波动学中,我们对声波的关系只有振幅、频率和波长。依据传统波动学中,振幅和频率是没有关系的,一个是震动强度,另一个是单位时间的震动次数。   但实际上我们对声波的考察却发现这样一个规律:物体的刚体的性质越好,那么它在震动过程中所产生的震动频率就越高。那么在它震动速度最大时和空气分子碰撞后,气体分子的速度和碰撞前的速度的差距就越大,同时,震动的一个周期,气体分子的运动速度差异越大。

   通常我们认为的波的频率越高,那么一个声子所拥有的能量也越大。但实际上,声波的频率对应一种分子周期性的运动速度差异。频率越高,这种差异越大。虽然这是依据一个铜锣得出的结论,但我想对于声波而言,它应该具有普适性。一个震动频率很低的物体,单位时间内,无论如何也不会使气体分子的周期运动速度差异很大。

   这个关系和传统波动学中的振幅是不同的。我想传统物理学中的振幅的概念在理论上应该包含这种关系,但传统物理学中并没有指出这种关系。它所指的也不是这种关系,而是和空气中单位体积内(或者单位面积)的气体分子的震动数量的关系。

  (6)关于这种理论的检验方法

    在对波动现象进行解释的过程中,本文中的解释方法和传统波动学中存在本质上的不同,就是在对波动现象的描述过程中采用气体分子运动速度存在周期性的变化去解释波的传递和作用问题。

    检验的方法之一:选用一个比较大的容器,采用两种介质和采用单一介质两种情况去检验波的传播情况和波与物质相互作用的情况。介质的选区有一定的规律。

    传统波动学关于声速的公式是:

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    其中P是气体压强,ρ是气体密度,T是热力学温度,R是摩尔气体常数,M为气体摩尔质量,γ=CP/CV是气体的比热容比。

    我们可以看到,传统物理学中声波速度公式和以上几个物理量有关系。我们可以采用两种介质作为混合介质,另一种情况是采用单一介质。这两种情况我们所采用的这些物理量尽量是相似的,相同是最好。

    测定传播速度,测定衰减情况。根据本文的分析,混合气体比单一气体要衰减的快。

    另一方面,本文提出的声波对外界的作用,除了频率方面,还存在震动周期分子运动速度的差异情况。会反应到声波和外界物质的作用上。它的作用效果是需要采用试验的方法确定的。

    (7)值得怀疑的的一个问题。

     在本文中提出了关于声波的一个新的物理关系,就是在声波和物体的作用中,单位时间内气体分子的运动速度的周期性的变化。我们可以采用单位时间气体分子的速度变化律来对这个概念进行描述。如图:

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     在我们考察声波和物体的作用的时候,会出现周期性的空气分子运动速度的差异,可以表示成V1-V2或者表示成|V1|+|V2|。我们知道,一个低频率的声波在我们的听觉是低沉的,而一个高频率的声波则是尖锐的。

     我认为声波给于我们听觉的不同来源于这种作用的不同,气体分子在单位时间里给于我们耳朵的作用变化率的不同。当然,在这个过程里频率和这种单位时间里给于我们耳朵的作用变化率是同时性的变化。传统波动学中将这种作用归因于频率的升高。这是没有物质作用的依据的。换句话说,传统波动学中的描述是形式上的描述。

  4、电磁波

   按理说,在这里应该讨论电磁波的问题,但由于电磁波传递的介质我们还没有进行讨论,在这里就不对电磁波进行讨论了,我们留到讨论过传递电磁波的介质之后在讨论电磁波的作用问题。

  5、波的能量

        (1)水面波

    在上篇文章中我们考察了水面波的力学作用情况,我们可以看到水面波给与物体的作用来源于水面波形成的高出水平面和低于给与物体的浮力的作用,使物体在水平面上产生上下浮动。它的能量计算方法采用力与作用时间是方便的。当然这样的能量模式和传统物理学中的看法是存在分歧的。

     传统看法认为,频率越高,它所具有的能量越高,我们在这里做这样的结论和传统物理学中的看法是相反的,因为振幅不变的情况下,频率越高,一个波长所给与物体的作用时间就越短。这样,一个波长所给与物体的作用就会越小。

    对于这个问题,我想应该具体情况具体看待。只要是振幅相同的水面波,不同频率的一个波长所给与物体的作用无论如何我们也不能得到随频率增加能量增加的结论。

    (2)地震波

    地震波的一个波长对物体的作用,我认为采用单位时间的作用力和作用时间的乘积(作用力的绝对值对时间积分)去描述是方便的。当然这是采用力学进行处理的方法。反映在能量的单位上,是功率的模式。

    (3)声波

     声波之所以能给于我们听觉,是因为在一个声波周期内形成声波的气体分子给于我们耳朵作用的气体分子运动速度的差异(或者说动量差异)。声波的一个周期给于我们的总的作用可以采用形成声波的气体分子的作用数量乘以一个分子在声波的一个周期的传递过程中,给与物体作用的和。当然,我们也可以采用作用力对作用时间的积分。

  (4)新的概念——作用变化率

    我们采用力和作用时间对波动过程中的作用给于描述,有很多地方是不方便的。比如波动过程中的矢量方向,一个周期有两个矢量方向,在震动的空气分子和物体间的作用上只是反应在气体分子运动速度的变化上。如图:

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      物体的表面由于受到大气压力的作用,作用力大小相等、方向相反,并不表现宏观上的矢量作用。但是,声波的半个波长所给与物体的作用是一种不均匀作用,表现在气体分子的运动速度上,如图中的两组箭头。我这里仍拿铜锣为说明的对象。第一组分子运动速度沿波运动方向速度最大对应铜锣震动过程的平面加速最大的时刻,第二组分子运动速度沿波运动方向速度最小对应铜锣振动过程中的平面减速最大的时刻。(速度最大和最小是根据铜锣对外作用的过程判断的,可以认为是传递波的分子对物体作用的整体效果)。在第一组分子和物体作用的时候,给与物体的作用是沿波的运动方向上的一个矢量;第二组分子和物体作用的时候所给与物体的作用方向和第一组分子给与物体的作用是相同的方向,不同的是矢量作用的大小是不同的。在波和物体的作用过程中,由于物体还受到大气压力的作用,第一组携带声波作用的分子和物体作用的时刻,物体所受到的总的作用是沿波运动的方向表现为一个矢量,即本文举例说明的上半个周期,下半个周期则是和上半个周期相反的矢量作用方向。这是由整体的气体分子给与物体作用的整体效果。

        您可以看到,采用传统波动学中的两个矢量方向并不能对声波的能量作用方式进行合理的描述。另一个问题是统计微观数量上也是不方便的。

     传统物理学中对波的能量的描述方法采用单位时间内通过介质中与波速方向垂直的单位面积的波的能量进行描述。我们知道,这是非常不方便的。波完全是一种力学的作用过程,(质点运动也可以看作是动量的转化过程)表现为作用强度和作用方向周期性的变化。采用传统物理学中的方法我们必须将物质的运动形式转化成传统物理学中动能的描述形式。

     我们知道,在传统物理学中有两种对能量的描述单位,一种是功率的概念,单位时间的力。另一种就是动能的概念了,两种概念存在矛盾。(关于这个问题,您可参见机械运动的能量体系。)转化过程中是非常不方便的。

     那么有没有更好的方法呢?当然是有。这种方法就是采用作用变化率的方法进行描述。

     我们知道,在物质作用过程中存在两种模式。一种是冲量,另一种则是动量了。表达形式分别是mv和ft.在对物质作用的描述上,两者的单位和作用形式是通用的。这样,从我们采用的单位上可以说就已经统一了物质运动变化的描述问题。因为都可以采用作用的模式进行描述。那么,下一步的则是描述的方法了。

     在波动过程中,可以看作周期性的波动变化。对于一个波源,那么我们只要采用半个周期的两个状态作为我们统计的标准就行了。

     我们比较相差(传统物理学中的概念)半个周期的两种物质作用状态,当然,我们可以采用动量的形式,也可以采用冲量的形式(也可以采用势能的形式。但最后要变成mv或者ft的形式)。进行比较两种作用的差距。

     我把这种单位时间内一个质点的两种存在状态的差异叫做作用变化率。我们可以确定,这种作用变化率同波给与物体的作用成正比。我们只要对波的传递时间和传递的截面积进行积分就可以了。

     另一个需要说明的是,采用传统物理学中的常数概念对此进行描述是方便的。比如对电磁波的能量进行描述的普朗克常数,确定这个质点在震动过程中半个周期的常数。或者叫做一个波子。它在作用上等效于普朗克常数的概念。当然,它不是普朗克常数。这样我们只需要采用波子和作用变化率就可以确定波的能量了。

   这样,我们必须确定这种于普朗克常数相近似的这种波子的常数,这个常数是由试验确定的。它依赖于科学定义体系的单位和波动过程的对应的量的关系。

     采用这种作用变化率进行一个波长作用的描述,它所描述的仅仅是一个波长,不要忽略了时间。

  (5)采用作用变化率进行描述的单位问题及相关适用问题

    采用作用变化率对波的能量进行描述,能量的单位属性是功率的单位属性。和动量或者冲量的单位是相同的。但这种能量单位不是传统物理学中的能量单位。如果要统一所有的物质运动变化的能量描述,那么在物理逻辑上来说,采用这种能量单位是必须的。因为所有的物质运动变化都可以在作用的规律上找到捷径。即:力和时间的关系、质量和速度的关系决定着物质运动变化过程的状态。

    另一方面,如果采用这种能量单位,您不要指望能量守恒定律还要成立。换句话说,这样的能量单位是要打破能量守恒定律的。这是对物理世界描述的需要。当然,这不是硬性的规定,而是根据能量的意义在物质间的作用上所对应的含义。能量的概念应该是这样。(您可参见机械运动的栏目)

    几百年前的物理前辈们已经确定了能量的概念为动能的形式,并抱着能量守恒定律作为宇宙间的一个规律,以至现在的人们大都这样认为。目前这是没有办法的事情。我想让人们接受这种新的概念是需要时间的。

    如果要统一物质世界反映在物质运动变化上的能量描述问题,采用作用作为能量的定义模式,这是唯一可行性的方法。

   6、波的介质问题

   我们对常规波动现象中的几种波进行了物质间作用的简要分析。我们可以看到,常规的机械波只是一种介质传递作用的形式。脱离开介质间物质的作用,波是不存在的。实际上,这样的结论可以扩展到整个的波动学领域。这样的结论也许您作为一个经典的物理学者会以反对的态度来处理这个观念问题。

    但我仍想要为此辩驳——波首先是什么?

    或者说波到底是什么?关于波的属性定义问题。这个问题在传统物理学中的定义是没有的。依据是在现代的物理学中承认电磁波或者光的传播是不需要介质的。在光的属性中,将光的属性定义为波粒二像性,甚至更进一步的,将物质本身的属性定义也加上波的属性。这样,波的属性就作为一种物质质的属性的存在。而不再是以物质为载体的物质间作用的传递形式。

    波的概念的诞生起源于对物质运动形式的分析,并且仅仅限于物质的运动形式。从波动学的概念上来说,频率、振幅、相位、周期最后还有一个波长,这些概念都是以一种纯粹的形式而存在,在这些概念中都缺乏一个主体,或者说一个承载运动形式的主体。仅凭这些概念是不能作为一种质的存在,而只能是仅仅作为一种运动的形式。

 

结束语:波的概念起源于机械运动过程中的周期震动,如果我们跳过机械波而直接去讨论电磁波,那么这样是不合理的。因为电磁波的四个特征概念就来源于机械波。另一方面,空间属性也主要反映到场的作用上,或者说是通过场的概念,尤其是电磁波的物质运动形式得以确认。尽管近代物理学中给与一些不合理的概念,但我们仍需要通过电磁波等波动形式去探讨有效的空间属性问题。这是揭开物理困难的所在。

    本文尝试了采用统一的描述模式对所有的波动现象进行描述,对此引入了一个新的概念——作用变化率。这一概念是和普通的物体运动、波动以及电磁理论相接轨的概念。在定性模式上,可以合理的对场的概念所描述的物质运动形式进行合理的描述。当然,下一步的就是对此的检验了。

2001.2.2


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