生活中的时间、质量和速度

王译浠

摘 要：在物理学科的学习中，由于物理理论总能引导人们向未知的领域进行探索和研究，这就为我们研究物理提供了一个更为广阔的空间，本文从生活中的时间、质量和速度入手，结合自己的设想，对时间守恒和质量与速度的关系进行了推理研究。

关键词：物理 相对论 时间守恒 质量 速度

在学习物理的时候，由于物理的抽象性和应用型，使高中生在听完老师对于理论的知识讲授后，很自然的联想到一些日常中的物理现象，比如为什么在零度以上冰会融化为水，为什么月亮围绕地球旋转，地球围绕太阳旋转等等，但也有的时候，现在学习的物理知识并不能解决我们在内心的一些疑惑，比如爱因斯坦的相对论如何结合物理知识进行深入的阐释等等，这就给我们在课余时间留下了一个很大的探索空间，现结合高中所學的物理知识，通过自己基于书本所学的研究，对生活中的时间、质量和速度进行简单的分析。

一、生活中的时间

在学习万有引力的时候，让我们懂得了正是因为万有引力的存在，才使地球在引力的作用下旋转，进而产生了时间，当学习了质量守恒定律之后，又让我产生了一个疑惑，既然质量可以守恒，那时间是不是也可以是恒定的，也就是其实还有一条时间守恒定律存在呢？为此，我做了一个推论：

在太阳系中， 所有以椭圆轨道绕太阳公转的星体都遵守时间空间守恒定律： 星体等效圆轨道半径R三次方除以公转周期T二次方等于一常数GM/4π^2， 有

R^3/T^2= GM/4π^2 （1）

公式（1） 中万有引力常数G= 6.672*10^-11牛顿*米^2/千克^2， 太阳质量M=1.9891*10^30千克.

例如， 地球公转周期T=365.256日=31558118.4秒， 根据万有引力定律，

V^2*R=GM （2）

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

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

等效圆轨道半径 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），

观测地球公转平均速度是29790（米/秒）， 相对误差为0.017%.

例如，冥王星公转周期T=90800日=7845120000秒， 据公式（3）

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

等效圆轨道半径 R=GM/V^2=5.914481664*10^12（米）， 则

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

观测冥王星公转平均速度是4740（米/秒）， 相对误差为0.064%.

例如，哈雷慧星公转周期T=76.2年=2404728622（秒）， 据公式（3）

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

等效圆轨道半径 R=GM/V^2=2.688815548*10^12（米）， 则

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

例如， 恩克慧星公转周期T=3.3年=104141790.7（秒）， 据公式（3）

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

等效圆轨道半径 R=GM/V^2=3.315891589*10^11（米）， 则

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

计算结果表明， 以平均值的概念， 建立在牛顿万有引力理论基础上的时间、空间守恒定律是协变的，有R^3/T^2=GM/4π^2=3.361637557*10^18（米^3/秒^2）. 时间、空间守恒定律不但适用于偏心率较小的行星， 也适用于偏心率很大的周期慧星. 对星体在椭圆轨道上平均速度精确的计算结果无可辩驳的证明了协和定律， 即星体等效圆周长等于椭圆轨道周长， 有2πR=2πb+4（a-b）.因此， 时间、空间守恒定律是牛顿万有引力定律全面精确的表述。

二、生活中的质量和速度

动量守恒定律和能量守恒定律以及角动量守恒定律一起成为现代物理学中的三大基本守恒定律。最初它们是牛顿定律的推论，但后来发现它们的适用范围远远广于牛顿定律，是比牛顿定律更基础的物理规律，是时空性质的反映。其中，动量守恒定律由空间平移不变性推出，能量守恒定律由时间平移不变性推出，而角动量守恒定律则由空间的旋转对称性推出。在众多的定律中，我对于老师讲授的速度越大质量越大比较不理解，因为这种情况在生活中应用起来并不是十分准确的，后来通过结合所学的物理知识和一些相对论的知识，我发现由于很多的物理知识只凭在书本上和实际操作中进行感知是远远不够的，它还需要我们去除一些在现实中存在的附加之力的作用，把物体想象成在一个处于绝对实验的条件下进行探索，比如对于速度越大质量越大这个理论，根据相对论，对于运动物体而言，其运动质量的确要大于静止质量，这一效应要在速度相对于光速具有可比性时才会明显，所以生活中我们无法察觉（光速为每秒30万千米）。而高速运动的物体我们无法用生活常识去解释了，就如同牛顿力学在微观世界失效一样。所以有的时候不能根据日常生活中的实际情况进行探究。

再如，为什么高速运动的物体质量会变大呢，我认为对于高速运动时物体相对质量大于静止质量这一问题，是从数学理念上解释的，而且是站在不同的惯性系观察的速度不同这一基础上的，并没有解释增加的质量到底是什么，但可以根据爱因斯坦质能关系来理解增加的质量为增加的能量，因为E=mc2；也可以这样理解：对于高速运动的物体A，处于静止的人无法用同样处于静止的测量工具进行测量，而对于具有与A同样运动速度的测量工具（如天平），相对于物体A来说是静止的，所测出的质量也是静止质量，即该物体质量没变，但是，如果没有相对静止的测量工具进行测量的话，就要附加上一定的物体运动能量，这样物体的质量就会在运动中变大。

结语

综上，本文通过高中物理知识和自己的探索，对生活中的时间、质量和速度进行了简单的探讨，可以说，生活中的物理学虽与我们生活密切相关，但是也有很多是看不见、摸不到的，它需要运用我们的想象和联想能力，对于物理知识进行对比分析，把物理的一些理论放在一个相对没有附加因素的实验环境中去探讨和探索，只有这样，才能找到物理理论的真正使用之处。

参考文献

[1]罗邵凯，郭永新.转动相对论系统动力学的积分理论.[J]物理学报.2001；

[2]杨光平.密度、质量、体积与速度、路程、时间的计算.[J]物理教学探讨.2004