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震惊：理论的逻辑起点竟然埋藏的这么深！: 热度 4 lwg 2015-7-11 08:27; 震惊：理论的逻辑起点竟然埋藏的这么深！本来，以为将理论的逻辑起点放在——匀强磁场中，电荷可以持续进行匀速圆周运动——这个满世界中学物理都在讲的东西上面就足够踏实了。没想到，反方连这个都不认呐！没办法，继续深挖，一定要挖到反方不得不认的东西上面。经过艰苦思索，终于，这个东西竟然被我找到了！怪不得，反方辩友，无论是文教授，还是王虹宇教授，最终都是在这个地方摔跤、沉默了。这个东西竟然就是——能量守恒原理！凭什么这样说？请阁下随我一起做一个理想实验，立即就明白了—— 考虑一个可以无摩擦转动的电中性材料圆盘，垂直盘面，有匀强磁场穿过；在圆盘的边缘，彼此极为靠近地粘贴有一个电偶极子（一端带正电荷，一端带负电荷，两端电量相等、绕转半径相等）。让上述圆盘转起来后，根据角动量守恒原理，圆盘将以恒定的角速度持续旋转下去。对吗？现在分析作用在电偶极子上面的力，两端电荷都要受到来自静磁场的洛伦兹力，由于两端电荷极性不同，这两个力，均沿半径方向，在极限情况下，大小相等、方向相反。对吗？不要忘记，作用在两个电荷上的，还有各自自感生电磁场（ B，E ）的作用力 Fe ；假定， Fe 在切向的分量不为零；那么，必定作用在两个电荷上、各自 Fe 的切向分量，在极限情况下，大小相等、方向相反。即，一个 Fe 在切向分量和瞬时运动方向相同，一个 Fe 在切向分量和瞬时运动方向相反。对吗？下来，我们切掉 Fe 在切向分量和瞬时运动方向相反的那一端，不是就可以获得一个永动机了吗？这当然是不可能的！所以，上述假定是不成立的。由此证明： Fe 在切向的分量只能为零。既然，我们已经证明，Fe在切向的分量为零；那么，在那个极简的、仅有匀强磁场，和单一垂直磁力线方向做匀速圆周运动的电荷的预设情景中，就没有任何力F，它和电荷瞬时速度V，可以满足：F·V≠0这个关系式，从而，可以使运动电荷的运动速率降低，动能减少，进而提供辐射电磁波所必须的能量了。这个理想实验证明：电荷在做匀速圆周运动的过程中，虽然存在向心加速度；但是，该电荷是不可能向外辐射电磁波能量的。否则，一定违背能量守恒原理。结论：电荷加速运动是产生电磁波辐射的必要而不充分条件；电荷系统对自感或互感电磁场施力做功，才是产生电磁辐射的充要条件。感谢：王虹宇教授、文克玲教授，是你们的不懈坚持，促使我刨根问底，才获得了今天这样比较深刻的认识。谢谢。李维纲 2015.7.11凌晨; 2769 次阅读|9 个评论

有关空中水汽的一个理想实验、问题、征答: 热度 5 zhangxw 2014-5-7 18:08; 有关空中水汽的理想实验、问题、征答张学文 ,2014/5/7 设想有一个朔料管子，它是绝热的，长 1 公里 . 最初我们把管子平放在水平面上。我们讨论下面的理想实验： 1. 实验一：在常温下，把管子内装入一些干空气以后封闭它。再把管子在地球引力场中竖立起来 , 问位于不同高度处的大气压力随高度的变化规律是什么。 2. 实验二：把以上实验的干空气改为仅装入水汽，那么管子竖起来以后，管子内的水汽压力的铅直变化规律是什么。 3. 内装空气与水汽的混合物 , 问空气 / 水汽的压力分布各是什么。问题初步讨论： 1. 实验一基本是气象学几乎早已经回答的问题，它联系这所谓静力学方程，一般认为压力随高度是负指数递减的（压高公式）。 20 世纪测量高度就依赖这个关系 — 从压力换算出高度。 2. 实验二是理想性的问题，它应当与实验一有相同的结果，仅需要对有关公式里的分子量从空气的 29 改为水汽的 18 就可以。可这样水汽随高度的减少就比空气慢很多 ! 3. 实验三是与实际大气类似的条件。可它的理想结果与实际大气的平均情况一致吗？水汽为什么比空气更集中在低层？; 个人分类: 空中水科学|2440 次阅读|9 个评论

关于空气的一个理想实验征答.4(140409): 热度 1 zhangxw 2014-4-9 12:02; 关于空气的一个理想实验征答 .4(140409) 张学文， 2014/4/9 现在介绍一下我在 2011 年 12 月写的一个笔记。它是关于空气柱的总位能的理想分布的分析。它联系这我们这里谈及的管子里的空气的理想实验 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2024do=blogid=780268 和 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-781457.html ， http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-781994.html 。鉴于我的物理、数学能力有限，这种分析有什么不妥，欢迎指正。 1. 我们考虑的是引力场中的某空气柱的总能量。它从地面到充分高的空气上界。 2. 认为不同高度上的单位厚度内的空气密度可以是不同的（一般理解是高度越高，密度越低）。或者说空气密度ρ是高度 z 的函数 , 即ρ = ρ (z ）。显然，Δ z 内的空气位能是 =z ρΔ z, 于是整个空气柱的总位能是 3. 总位能 = ∫ z ρ (z) Δ z 。显然它的值是依赖空气密度随高度而变化的ρ (z) 这个函数。或者说空气密度随高度的变化情况不同，空气柱的总位能就不同。 4. 在数学方面，这种一个数值（现在是总位能）的大小依赖于一个未知函数（现在是ρ (z) ）的积分，就对应于一个泛函。变分法是对付这种问题的基本技巧。 5. 一个杯子里装着 300 克的水，而在引力场中，如果我们不去旋转这个杯子，那么这些水都集中在可能达到的最低位置，从而使水的总位能最小。这是中学生都理解的物理现象。 6. 是的物质在引力场中，力图处于位能最小状态。显然这个道理对可压缩的空气也是适用的。 7. 于是我们自然可以提出，对于一个空气柱，在空气密度可以随高度而变化的情况下，空气柱总的位能最小，必然对应一个空气密度随高度的分布函数ρ = ρ (z ），以使空气柱的总位能最小。 8. 鉴于空气柱的总位能是前面给出的积分，按照变分法中的欧拉方程（泛函达到极值的条件，对应现在的总位能最小），我们获得前面积分公式中的被积函数 z ρ (z) 对空气密度的微分（ d/d ρ ）应当 =0 。 9. 微分后，就有 z+ ρ (z)(dz/d ρ )=0 。解这个方程，我们获得了 lnz=-ln ρ的关系。或者说高度与空气密度的乘积值是个常数。它对应一个幂函数。 10. 这说明高度低的地方密度大，高度高的地方的空气密度如果按照这个关系计算，则空气柱总位能才是最小的。这样我们就获得了一个物理学的结论。 11. 关于总位能最小时，对应于总位能积分值随空气密度函数（不是变量是函数）的变化 =0 ，其思路与一般求函数极值时，函数对自变量的微分 =0 的思路是一致的。其细的数学说明见于变分法的知识。 12. 好了关于这个问题暂且谈到此，以后再从气象学上做一些分析。; 个人分类: 科学原始创新|2429 次阅读|2 个评论

关于空气的一个理想实验征答.3(140404): 热度 1 zhangxw 2014-4-4 12:11; 关于空气的一个理想实验征答 .3(140404) 张学文， 2014/4/4 本来打算把我过去关于这个问题的一个计算贴出来讨论，可昨天突然想到我们的理想实验还可以改得更简单清楚。于是我现在就把新的类似的理想实验写在下面：基本实验环境 : （与前面差不多） Ø 在地球引力场中水平放着一个横截面为 1 平方厘米的 2 公里长的圆管子。 Ø 设想这个管子是刚体，并且绝热、无摩擦的而且是封闭的。 Ø 设想管子内装着质量为 200 克的干空气，其温度是 1 0 ℃。理想实验：在管子中央系一根绳子，把这根长管子从中央位置掉起来，使它悬空。而且绳子离开地面 1 公里。于是：于是我们设想这根水平的长管子显然很不稳定，而难以维持水平状态。于是它在随机干扰下会逐步竖起来（相对重的一端下沉）。结果是管子内靠地面一端的空气被压缩变得密度大而上端空气变得稀薄。即形成了管子内部的空气压力 ( 也包括温度 ) 随高度的变化。并且应当认为它最终会形成一个稳定的压力 ( 温度 )0 铅直分布（动力学的平衡 / 热力学的平衡）。我们现在问：竖直状态的管子内的压力、温度随高度（上下高度差 2 公里！）的分布是什么，以及它们为什么会是这样。; 个人分类: 科学原始创新|2506 次阅读|3 个评论

关于空气的一个理想实验征答.2: 热度 3 zhangxw 2014-4-2 17:01; 关于空气的一个理想实验征答 .2 张学文 ,2014/4/2 本文交待一下形成这个思想实验问题 ( 见 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2024do=blogid=780268) 的思路。我过去看过一些课外读物，知道在物理学中思想实验在物理学的进步中起着重要的作用。它可以帮助我们提炼规律。例如关于根据地球是圆的和发射炮弹的公式就可以推出把人造卫星送上天所需要的初速度等等，记得爱因斯坦也是运用这个思想方法提炼问题的能手。关于大气的基本运动规律，动力气象学已经沿着牛顿力学的思路给出了一套方程式，并且成功地应用与短期的天气预报中。但是它的能力已经被挖得难以再提高了。我们是否还可以从另外的角度考虑天气变化的规律性？这是问题。最小作用原理是物理学的一个重要又具有基础性的原理，它可以概括牛顿力学，以致光学的规律。最小作用原理固然有其深奥的一面，但是也有引用广义坐标这些特殊性。它是否可以使气象学的问题有了新提法？值得考虑！位能最小化是我们经常在流体运动中看到的自然现象。而位能也是最小作用原理中的一种变量。面对大气，是否也存在一个大气的位能最小趋势？它在气象状态上的体现是什么？大致就是在这些含糊思想的启发下， 2011 年，我考虑了一个在地球引力环境下理想气体的铅直的理想分布是什么的问题。即我们是否可以在总能量固定的情况下在一个闭合的非常长的铅直管子内，空气如何分布，才是稳定的，它等价与空气的总位能最小？或者话反过来说：是否可以根据极值（如空气柱总位能）原理反算出空气在引力场中的铅直分布？以上的理论分布与大气的实际铅直分布是否一致？; 个人分类: 科学原始创新|2581 次阅读|5 个评论

关于空气的一个理想实验征答.1 (140329): 热度 1 zhangxw 2014-3-29 17:54; 关于空气的一个理想实验征答.1 (140329) 张学文 ,2014/3/29 这是一个关于空气 ( 或者说理想气体的 ) 理想性的实验 , 现在向各位 ( 气象 / 物理 / 数学 …) 学者征答。下面是我在本月整理、回忆出来的问题：（ 2014.3.15-3.24 ）基本实验环境 : Ø 在地球引力场中垂直立着一个横截面为 1 的 2 公里高的圆管子。 Ø 设想这个管子是刚体，并且绝热、无摩擦的而且是封闭的，真空的。三个实验：实验 1 ：在管子的高度为 1 公里处，放置一个完全弹性的，质量为 1 公斤的橡皮球 ( 完全弹性 ) ，然后放开它。问会出现什么现象。实验 2 ：在管子的高度为 1 公里处，放置一个薄朔料袋内装质量为 1 公斤的糨糊，然后放开朔料袋。问会出现什么现象。实验 3 ：在管子的高度为 1 公里处，放置一个气球，内装质量为 1 公斤的空气，其温度是 0 度，压力为 1 个大气压。然后捅破气球，让空气在真空的管子中自由伸展。问出现什么现象。初步分析：实验 1 ：这应当是基础物理学的问题，其答案是，这个钢球在 0-1 公里的高度内做上下跳动，而不会停止。这期间物体的动能与位能不断转化。但是总量不变。这类似一个钟摆总在运动变化着。这个答案明确、没有分歧。实验 2 ：由于糨糊没有弹性，它从 1 公里的高度上摔下来，就静止在管子的最下端，不动了。其位能变小了，其减少的量变成了物体的热能。而物体的温度的升高的数量对应于位能的减少。这个答案明确、没有分歧。（旁白：所以问题 1,2 是引导性的，不是我们征集答案的问题，下面的实验 3 才是正式的问题）实验 3 ：由于空气可以向真空中膨胀，最后，空气应当充满全部管子。但是在引力场中，空气的压力、密度应当是下面大而上层小。最后是空气压力、密度、温度就形成了一个稳定的铅直分布，即其温度、压力、密度都仅是高度的单值函数。我们问实验 3 中出现的三个函数是什么，以及它们为什么是这样。背景说明：（ 1 ）下面是我在 2011 年 11 月 20 日向某某人征询答案时对这个问题的提法设想有 1 公斤空气（如温度 15 度，压力 1 个大气压）注入一个四壁绝缘的管子，它的横截面的面积是 1 平方厘米，高度是充分长（理解为比 30 公里长），其底面的温度限定是 15 摄氏度。这个理想的管子是立在地球上的。可以理解其底面就是地面，但是与外界没有能量交换。 ….. （他给我寄了有关的笔记， … ）（ 2 ）本月何沛平先生给我寄来了他与朱顶余先生的一个研究汇集：《重整热力学的研究》的专刊。我理解他们提出了引力场中对物质的温度的平衡分布有影响的问题，并且给出了他们的答案。我觉得这些认识与本问题有些关系。现在的问题是求空气在管子里是如何随高度而变化的。即求得其温度、密度、压力随高度的变化（是铅直高度的函数）。我希望有人可以给出答案，自然需要给出理由，公开私下都可以。也欢迎对本问题本身发表评论。（本问题 2014.3.29 公布在科学网，也给了我的某些朋友）; 个人分类: 问题|3402 次阅读|3 个评论

[转载]理想实验: sungennian 2010-8-10 06:49; 理想实验（转录《百度百科》） http://baike.baidu.com/view/956937.htm?fr=ala0_1 1.什么是理想实验所谓理想实验，又叫做假想实验、抽象实验或思想上的实验，它是人们在思想中塑造理论和模型的过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法． 2与传统实验的区别　理想实验虽然也叫做实验，但它同前面所说的实验还是有区别的，真实的科学实验是一种实践的活动，而理想实验则是一种思维活动；前者是将设计通过物化而实现的实验，后者则是人们在抽象思维中设想出来的实验，实际上并不一定去做。但是，理想实验并不是脱离实际的臆想。首先，理想实验是以实践为基础的，所谓理想实验就是在科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程作出深入的抽象分析；其次，理想实验的推理过程，是以逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的。　在自然科学的理论研究中，理想实验具有十分重要的作用。作为一种抽象思维方法，理想实验可以使人们对观测实验有更深刻的理解，可以进一步揭示客观现象和过程之间的逻辑联系，并由此得出重要的结论。因为，作为知识形态的东西，任何理论都不能从实验中直接得到，更需要发挥人的思维想象能力。 3 伽俐略的理想实验在科学发展史上，最早提出并实践理想实验的人是伽俐略。例如，作为经典力学基础的惯性定律，就是理想实验的一个重要结论，而且这个结论是不能直接从实验中得出的。在《关于两个世界的对话》中，伽俐略曾注意到：当一个球从一个斜面上滚下，而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度，同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。伽俐略断定高度上的这一微小差别，是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。然后，他推想说，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度。最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去。这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉。所以，这只是一个理想实验。但是，伽俐略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来一千多年间，关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础。后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律。 4 爱因斯坦的理想实验爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家，他所创立的相对论也是20世纪最伟大的科学理论。因为，爱因斯坦在创立相对论时，并没有作传统意义上的科学实验，所以很多人认为科学研究就不需要实验。其实，这是一种误解，爱因斯坦有自己的实验，这个实验就是理想实验。关于同时性的相对性的理想实验。爱因斯坦设想：当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的；但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车，正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的。因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点。因此，在静止的观察者看来，是同时发生的闪电，在运动中的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮。同时性的相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程中的一个关键。爱因斯坦在建立广义相对论时，作了自由下落升降机理想实验。他设想：在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方。因为，在他的坐标系中，引力场已经被屏蔽或排除了；但是，在升降机外面的观察者看来，这两个物体以同样的加速度向地面落下，这个情况正揭露了引力质量和惯性质量的相等。爱因斯坦又设想了另一种情况的理想实验。即：升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下垂直向上运动（即强化了升降机内部的引力场），同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口，水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上。爱因斯坦根据光具有质量以及惯性质量和引力质量等效的事实，预言一束光在引力场中会由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样，爱因斯坦预言的光线在引力场中会弯曲这一广义相对论效应，已为后来的观测结果所证实。　不尽如此，量子论的建立也同理想实验密切相关。在量子力学中，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验，也是一种理想实验。因为，中等速度的电子的波长约为10-8厘米左右，这跟原子之间的距离属于同一个数量级。因而，只要让电子束穿过原子之间的空隙，就会发生衍射。但是，要想制成能够使电子发生衍射的单缝，首先就必须做到把单缝周围的所有原子之间的空隙都给堵死，实际上这是做不到的。在实验中，人们只能做到电子的原子晶格衍射实验，而无法实现电子的单缝衍射实验。这个实验的结果：同时性是有相对性的结论，其根本原因不是因为测量者运动，而是测量速度有限，在两道闪电中间的人看到是同时发生的闪电，在靠近东边闪电的人看来，东边的先发生，西边的后发生，而靠近西边闪电的人，刚好得到相反结论，测量速度无穷大，则同时性不具有相对性，或者每个测量者都去除信号传递的时间，就可以得到公认的物理本质时间，同时性也是绝对的，只有测量现象才是相对的。所以说同时性的相对性，是由于所处的状态不同，而得到的主观结论，不是客观结论。 5 理想实验的不足理想实验在自然科学理论研究中有着重要的作用。但是，理想实验的方法也有其一定的局限性，理想实验只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验认识正确与否的标准。相反，由理想实验所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验。; 个人分类: 优博转载|2531 次阅读|0 个评论

我谈科学实验的四种基本类型: 热度 1 sungennian 2010-8-3 22:12; 孙根年（陕西师范大学旅游与环境学院教授） 2010年8月2日，孙学军先生发表博文《不做实验同样可以发表SCI论文》（ http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=348632 ）引起某些热议论。我认为，孙学军博友如果不是哗众取宠的话，很可能是对科学实验片面理解，以为只有在实验室人工控制环境下的物理化学实验才叫实验，而其他形式的实验就不叫实验。对此，我从广义实验的概念出发，将科学实验划分为四种类型： 1 理想实验：即头脑里进行的理想实验。依据观察的事实和生活经验，运用已掌握的科学知识，在头脑里进行理论猜想和逻辑推理，主要是运用猜想提出公理，然后运用数学方法进行逻辑推理，从而建立起某些理论。爱因斯坦的相对论研究，是理想实验研究的光辉典范。 2 观察实验：即在自然发生的情况下，对事物进行有目标的观察，从而获得科学认识。这种方法在生物学、地质学、地理学中有着广泛的应用，读万卷书走万里路。如生物学家采集标本发现新的物种，古生物学家采集化石论证生物进化，地质学家观察地质剖面论证构造。达尔文创立生物进化论，主要得益于广泛的野外观察实验，他将科学定义为：归纳经验实事，以便从中发现规律。 3 模拟实验：依靠数学模型和计算机模拟分析的实验。研究过程如下：采集事物的数据和信息，在一定理论或假设指导下，运用数学模型和计算机进行模拟分析，认识事物的性质和规律。王铮先生是这方面的高手，他的很多研究都是模拟实验研究。 4 控制实验：在实验室内，在人工控制的环境下，采用物理学或化学的方法进行实验，这种实验在理化科学、环境科学中是最常见的。这也大家通常所说的狭义的实验。其实，现代科学是科学家的理性猜想与实验验证的统一，对于任何自然科学研究来说，实验验证都是绝对不可或缺的。之所以造成某种假象，以为某人没有做实验，同样可以在SCI期刊发表论文，是因为片面地看待实验。所以，我不同意不做实验也可以发表SCI论文的观点，不做实验发表SCI论文，千万别作假。希望博士生注意，不要为这种哗众取宠的观点所误导。同时，我也要提醒大家注意，科学实验的类型多种多样，要根据研究的问题来确定，不要片面地理解实验。; 个人分类: 科学笔记|21979 次阅读|4 个评论

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