亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        論金屬材料的速度極限——鋼制“飛船”的速度極限值是1181.7m/s

        2014-11-24 03:00:58王天宇鄭永明
        物理教師 2014年4期
        關(guān)鍵詞:極限值內(nèi)能光速

        王天宇 鄭永明

        (山東省青州一中,山東 青州 262500)

        大家知道,沒有任何一種已知物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到光速.這就確定:每一種物質(zhì)材質(zhì)(當(dāng)然包括每一種金屬材料)應(yīng)當(dāng)都有一個(gè)確定的、小于光速的速度極限值——實(shí)驗(yàn)會(huì)給出最終的答案.為了確定哪一種金屬材料更適合于制造“光速飛船”,我們選定下面的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)算、對(duì)比.

        愛因斯坦預(yù)言,人如果乘坐“光速飛船”,時(shí)間會(huì)倒流,人會(huì)返老還童.這也正是千百年來人類的夢(mèng)想.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想,現(xiàn)在我們通過實(shí)驗(yàn)篩選各種金屬材料,看哪一種更適合于制造能讓我們返老還童的“光速飛船”.

        實(shí)驗(yàn)從伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”開始.球a從斜面上滾下,理想狀態(tài)下——?jiǎng)菽芡耆D(zhuǎn)化成動(dòng)能,它應(yīng)當(dāng)爬升到對(duì)面斜面相同的高度;如果斜面展開,球a將做勻速直線運(yùn)動(dòng),并且一直運(yùn)動(dòng)下去.現(xiàn)在,我們?cè)谇騛的直線方向上放置球b(球b的材質(zhì)、體積、質(zhì)量與球a完全相同).某瞬間,球a與球b撞擊,理想狀態(tài)下,球a停止運(yùn)動(dòng),球b依然按球a的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng),就是說,球a的動(dòng)能完全傳遞給球b.而在現(xiàn)實(shí)情況中,玻璃彈子的撞擊會(huì)出現(xiàn)另一種情況,撞擊的瞬間,球a和球b一只或兩只玻璃彈子會(huì)碎裂,這是因?yàn)閯?dòng)能在兩者之間傳遞時(shí),動(dòng)能的力量已經(jīng)超出了玻璃材料自身的結(jié)合能.

        球a與球b在撞擊的瞬間,動(dòng)能在兩者之間傳遞,在速度較低、動(dòng)能較小的情況下,動(dòng)能在兩者之間能有效傳遞;隨著速度的不斷增加,動(dòng)能會(huì)變得很大,動(dòng)能的傳遞會(huì)變成猛烈的撞擊——以動(dòng)能、內(nèi)能(熱或光的能量形式)以及其它能量形式瞬間表現(xiàn)出來.當(dāng)這種能量的威力足以克服物質(zhì)材質(zhì)自身結(jié)合能時(shí),材質(zhì)本身就會(huì)遭到破壞.當(dāng)然,材質(zhì)不同,其分子、原子的結(jié)構(gòu)不同,決定了材質(zhì)自身結(jié)合能的不同.這正是我們這次實(shí)驗(yàn)考察的目標(biāo)——哪種材質(zhì)自身結(jié)合能更強(qiáng),更適合制造“光速飛船”.

        在這里只選擇一種實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行考察:撞擊者是各種金屬材質(zhì)的小球,被撞擊的靶子是一個(gè)理論上固定不動(dòng)的剛體,那么撞擊的結(jié)果就是:動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能、動(dòng)能和其它能量形式——如果在速度足夠快,動(dòng)能足夠大的情況下,動(dòng)能將在瞬間完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,以熱能的形式瞬間表現(xiàn)出來,其他能量形式可以小得忽略不計(jì).當(dāng)此內(nèi)能達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn),我們就認(rèn)為,這樣的速度已經(jīng)達(dá)到了該金屬材料的破壞點(diǎn)——即材料的速度極限.因?yàn)檫_(dá)到熔點(diǎn)的金屬材料已經(jīng)不再具有器材的使用價(jià)值,并且在相反的過程中——由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到這個(gè)速度極限值,對(duì)材料的破壞結(jié)果是相同的——它不是運(yùn)動(dòng),而是熔化,不再具有器材的應(yīng)用價(jià)值.通過測(cè)算對(duì)比不同金屬材料的速度極限值來確定哪種材料更適合于制造“光速飛船”.

        于是可以確定這樣的實(shí)驗(yàn)方法:金屬材質(zhì)的球a在高速運(yùn)動(dòng)的過程中撞擊固定不動(dòng)剛體,動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)能達(dá)到球a所用金屬材料的熔點(diǎn)的情況下,我們認(rèn)為,已經(jīng)達(dá)到了這種金屬材料的破壞點(diǎn)即速度極限——處于熔化狀態(tài)的金屬材料不再具有器材的使用價(jià)值.

        假設(shè)球a是鋼制品,在撞擊剛體時(shí)動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能Q,且內(nèi)能Q能夠讓鋼制球體達(dá)到熔點(diǎn).就是說,鋼球在達(dá)到熔點(diǎn)時(shí),所需要的內(nèi)能是Q.即Q=cmΔT(式中c是比熱容,鋼的比熱容是490J/(kg·℃);m 是質(zhì)量;ΔT是溫差,假設(shè)環(huán)境溫度為0℃,這里直接取鋼的熔點(diǎn)1425℃).

        就是說:一個(gè)質(zhì)量為m的鋼制球體,在環(huán)境溫度0℃的情況下,達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)所需要的內(nèi)能是

        故 鋼 球 的 速 度 極 限 值 是 1181.7m/s.一 個(gè) 以1181.7m/s運(yùn)動(dòng)的鋼制球體撞擊剛體,其結(jié)果是:鋼球在剛體上熔化.

        需要說明的是相反的運(yùn)動(dòng)過程:如果鋼制球體處于靜止?fàn)顟B(tài),我們用剛體來撞擊它,要求鋼球被撞擊后由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到1 181.7m/s.其結(jié)果一樣:鋼球在剛體上熔化.

        表1所列的是根據(jù)以上計(jì)算的常見金屬的速度極限值.

        表1

        需要說明的是,在動(dòng)能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程中,會(huì)有轉(zhuǎn)化效率的問題存在,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間會(huì)有差距,但原則上保持正比關(guān)系.

        綜上所述,表1中所列9種金屬材料的速度極限值有兩層含義:

        (1)金屬體由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度極限值.金屬體的速度達(dá)到極限值時(shí),呈熔化狀態(tài),不再具有器材的使用價(jià)值.

        (2)金屬體在加速后達(dá)到速度極限值,撞擊剛體,呈熔化狀態(tài),不再具有器材的使用價(jià)值.

        至于金屬體在不斷加速后究竟能達(dá)到怎樣的運(yùn)動(dòng)速度?有沒有速度極限?以上所說兩個(gè)速度極限值之間有無關(guān)聯(lián)?這是以后討論的話題.

        就表中所見,在所列的9種常見金屬中,金屬鋼的速度極限值最高1181.7m/s;速度極限值最低的是鉛僅為291.6m/s.

        現(xiàn)在假想球a和球b是“光速飛船”上相鄰的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn),其中球a是首先受到推動(dòng)力的點(diǎn).如果要使飛船由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到n m/s,必然有一個(gè)動(dòng)能的作用在a和b兩點(diǎn)之間傳遞,就像球a與球b在直線上撞擊一樣,隨著速度的提高,撞擊效果會(huì)變得十分驚人.由表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,就常見金屬材料而言,與制造“光速飛船”的要求相去甚遠(yuǎn);就飛船的駕駛者而言,如果由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到100m/s,就是一個(gè)坐在椅子上的人也會(huì)受到致命的傷害.相當(dāng)于360km/h的汽車所做的碰撞試驗(yàn),其結(jié)果不難想象.如果由靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度達(dá)到1000m/s,很多看起來堅(jiān)硬的金屬材料也會(huì)被破壞,那才是光速的30萬分之一.所以,人乘坐“光速飛船”返老還童的夢(mèng)想永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn).

        其實(shí),我們對(duì)速度極限有十分清楚的意識(shí):普通汽車的速度上限設(shè)計(jì)在240km/h;動(dòng)車為575km/h;飛機(jī)高達(dá)21000km/h;子彈的速度達(dá)1250m/s.通過實(shí)驗(yàn)確定金屬材料的速度極限值是件十分有意義的事,對(duì)航空航天、高速機(jī)車、槍彈的研發(fā)都有重要的參考價(jià)值.

        本文試圖把金屬材料的速度極限,或者更廣義的說——把物質(zhì)的速度極限作為一個(gè)新的物理概念提出來,有其更深層次的含義.

        如上文所述,當(dāng)金屬球a所具有的動(dòng)能在撞擊剛體時(shí)全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,并且達(dá)到了該金屬的熔點(diǎn),把這時(shí)的速度稱為該金屬的第一速度極限值;當(dāng)金屬球a所具有的動(dòng)能在撞擊剛體時(shí)全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,并且達(dá)到了該金屬的沸點(diǎn),我們把這時(shí)的速度稱為該金屬的第二速度極限值;以此類推,便會(huì)看到,動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的過程,就是金屬材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由外而內(nèi)、由淺入深地被改變或被打開的過程——內(nèi)能儲(chǔ)存在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中,動(dòng)能的作用就是改變或打開不同層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu),釋放不同層次的內(nèi)能.達(dá)到某一個(gè)速度的閥值,金屬熔化;達(dá)到下一個(gè)速度的閥值,金屬汽化.只要能產(chǎn)生足夠快的速度、提供足夠大的動(dòng)能——可以打開原子,也可以打開原子核;可以釋放原子能,也可以釋放核能…….

        但是,速度的提高會(huì)有一個(gè)極限——光速.

        現(xiàn)在,我們重復(fù)上文的撞擊實(shí)驗(yàn):假設(shè)具有質(zhì)量m0的金屬球a在無限趨近于光速的速度狀態(tài)下撞擊剛體,根據(jù)質(zhì)速關(guān)系式會(huì)出現(xiàn)兩種可能:(1)金屬球a的質(zhì)量會(huì)變得無窮大,這個(gè)概念僅適用于微觀世界,宏觀環(huán)境中未有實(shí)證.(2)球a的質(zhì)量會(huì)變成0.質(zhì)量為什么會(huì)變成0?因?yàn)楣庾拥馁|(zhì)量為0.就是說,具有質(zhì)量m0的物體以無限趨近光速的速度撞擊剛體時(shí),所有物質(zhì)屬性的結(jié)構(gòu)被完全打開,物質(zhì)的內(nèi)能得到完全釋放,以光和熱的能量形式完全釋放出來,質(zhì)能關(guān)系符合質(zhì)能方程E=m0c2.

        現(xiàn)在,我們重復(fù)愛因斯坦的名言:質(zhì)量即是能量(能量即是質(zhì)量).質(zhì)能關(guān)系不止是數(shù)值上的,更是實(shí)質(zhì)上的.現(xiàn)代物理學(xué)研究表明:物質(zhì)不再是一種或幾種基本粒子的組合體.物質(zhì)的實(shí)質(zhì)存在于物質(zhì)結(jié)構(gòu)中,內(nèi)能可以看做是物質(zhì)結(jié)構(gòu)能量的總和.每一次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變都伴隨著內(nèi)能的釋放(或吸收);而每一次物質(zhì)內(nèi)能的釋放(或吸收)都伴隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變.這其中,必然伴隨著物質(zhì)質(zhì)量虧損的變化,只是相比而言太過渺小,并未引起注意,直到核反應(yīng)中才引進(jìn)了質(zhì)能方程.

        這一點(diǎn)在上述的撞擊實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得尤為明顯:每一次金屬球a撞擊剛體都會(huì)伴隨著金屬體結(jié)構(gòu)自身的變形和內(nèi)能的釋放(即動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能).當(dāng)金屬球a的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到該金屬的第1速度極限值時(shí),金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形,而是熔化——堅(jiān)硬的金屬鍵軟化;當(dāng)金屬球a的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到該金屬的第2速度極限值時(shí),金屬結(jié)構(gòu)的改變不再是變形,而是汽化——堅(jiān)硬的金屬鍵斷裂…….隨著速度的提高,會(huì)打開原子,也會(huì)打開原子核;當(dāng)球a的速度在無限趨近光速時(shí)撞擊剛體,所有物質(zhì)屬性的結(jié)構(gòu)被完全打開,內(nèi)能得到完全的釋放,物質(zhì)以光和熱的能量形式完全釋放出來,質(zhì)能關(guān)系符合質(zhì)能方程:E=m0c2.

        這種質(zhì)能關(guān)系是普適的,適用于所有具有質(zhì)量的物質(zhì).就是說,地球上一點(diǎn)也不缺少能源,整個(gè)物質(zhì)世界都是可以被“點(diǎn)燃”的,物質(zhì)的速度極限就是一根導(dǎo)火線.

        猜你喜歡
        極限值內(nèi)能光速
        “內(nèi)能”“內(nèi)能的利用”綜合測(cè)試題
        光速有多快
        “內(nèi)能”“內(nèi)能的利用”綜合測(cè)試題
        “內(nèi)能和內(nèi)能的利用”易錯(cuò)點(diǎn)剖析
        多元函數(shù)微分學(xué)中的一個(gè)注記
        光速的測(cè)定
        “內(nèi)能”“內(nèi)能的利用”綜合測(cè)試題
        一種速解方法
        對(duì)稱空間中滿足弱壓縮條件及公共極限值域性質(zhì)的4個(gè)非自映射不動(dòng)點(diǎn)定理
        光速生發(fā)器
        国产午夜精品视频观看| 亚洲AV一二三四区四色婷婷| 少妇高潮惨叫久久久久久| 亚洲日本va中文字幕久久| 无码伊人久久大蕉中文无码| 一区二区精品天堂亚洲av| 天天做天天摸天天爽天天爱| 日韩aⅴ人妻无码一区二区| 日产无人区一线二线三线新版 | 一区二区三区国产精品乱码| 国产精品人妻一码二码| 无码不卡高清毛片免费| 亚洲一区二区三区中文视频| 少妇人妻中文字幕在线| 国产激情久久久久影院小草| 少妇放荡的呻吟干柴烈火动漫| 免费特级毛片| 中国大陆一级毛片| 中文字幕丰满人妻有码专区| 日本亚洲国产精品久久| 欧美日韩国产成人高清视频| 亚洲福利视频一区| 亚洲中文欧美日韩在线| 开心五月激情五月天天五月五月天 | 97久久成人国产精品免费| 中文日本强暴人妻另类视频| 看全色黄大色黄大片 视频| 性一交一乱一伧国产女士spa| 无码国产亚洲日韩国精品视频一区二区三区| 精品国产一区二区三区香蕉| 国产偷闻隔壁人妻内裤av| 亚洲综合第一页中文字幕| 欧美内射深喉中文字幕| 四虎国产精品永久在线无码| 日本一区二区三区啪啪| av在线免费高清观看| 天码人妻一区二区三区| 久久成人永久免费播放| 久久精品国产亚洲av热明星| 手机在线免费av资源网| 性一交一乱一乱一视频|