2能量守恒定律在现代自然科学中的核心地位.docx

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1、能量守恒定律在现代自然科学中的核心地位人类在很早就孕育了守恒的思想。守恒的思想认为大自然是周而复始，无限 循环的。现在我们知道，从本质上讲守恒性来源于对称性。实际上，由于对称性 意味着不变性,进一步发展就意味着经过某种对称变换后物理规律的不变性，这 就意味着守恒。人类最初对于守恒观念的认识还是非常原始和朴素的。随着自然 科学的发展，人们对于守恒概念的认识也逐步深入。对称性与守恒律密切联系的 见解最早来源于经典力学。从17世纪开始，伽利略、笛卡儿、莱布尼茨、伯努利、 拉格朗日等科学家从不同的方面阐述了动量和能量守恒的思想。19世纪40年代， 迈尔、焦耳、亥姆霍兹等科学家从不同侧面独立地发现了物质

2、运动之间能量的守 恒性，于是物理学就把这些不同的发现综合上升为能量守恒定律。随后，对称性 和守恒律的对应关系也逐步推广到电磁学、量子力学、量子场论以及基本粒子理 论等领域。1 .能量守恒定律的提出某些物理量守恒的想法渊源于西方的哲学思想，千百年来人们通过对天体的观测，发 现了宇宙天体的运动并没有减少的迹象。所以在16-17世纪，许多哲学家都认为宇宙间 运动的总量是不变的。笛卡儿和莱布尼茨都是这种思想的宣传者，而且都致力于寻求一个 合适的物理量来量度运动，以表达宇宙运动的守恒。笛卡儿提出，质量和速度的乘积，并 把这个量叫做“运动量”。现在通常把这个量叫做动量，并且已经确立了动量守恒定律。 可以说

3、，笛卡儿社动量守恒定律的先导。莱布尼茨也相信某种与运动有关的量是守恒的， 这就是他所说的“力”。他认为，应该用MV来量度力，并称之为“活力”。他还认为， 物体静止了 “活力”并没有损失掉，而是以某种形式储存起来。他把这种与静止状态相联 系而储存起来的“力”称为“死力”。莱布尼茨的观点是机械能守恒定律的萌芽。此后近 2 0 0年的历史中，物理学界始终存在着MV和MV?哪一个是真正的量度运动的量的争论。 直到1 9世纪恩格斯科学地论述了两者的区别和运用范围，并结束了这场争论。直到1847 年赫姆霍兹在柏林物理学会上宣读了著名论文论力的守恒，提出了能量转化与守恒定 律的哲学基础、数学公式和实验依据，

4、并把它演绎到物理学的各个分支才得以广泛应用）。 牛顿时代的莱布尼兹研究过动能守恒，机械能中的势能直到1853年才由Rankine正式提出 ，而在这之前焦耳和迈耶已经建立了现代意义上的能量守恒与转化定律。永动机不可能 实现的历史教训，从反面提供了能量守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索。 至19世纪20年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，并 澄清了它和活力概念之间的数学关系，提供了一种机械“能”的度量，这为能量转换建 立了定量基础。1835年哈密顿发表了论动力学的普遍方法一文，提出了哈密顿原理。 至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容。何谓守恒定律

5、？美国物理学家 HoltonG曾这样论述：“在某确定环境中相互作用的一组物体无论发生什么样的变化，它的 这种或那种可测度的量（质量、动量、能量或电荷）的总和在整个观察期间都是恒定不变的。” 1在经典力学中，从牛顿方程出发,在一定条件下可以导出力学量的守恒定律，粗看起来， 守恒定律似乎是运动方程的结果。但从本质上来看，守恒定律比运动方程更为基本，因为它 表述了自然界的一些普遍法则，支配着自然界的所有过程，制约着不同领域的运动方程。能 量守恒定律表述：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形 式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。能量守恒定律如

6、今被人们普遍认同，但是并没有严格证明。2 .能量守恒定律的表述形式自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具 有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等，不同形式的能量之间可 以相互转化：“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸 气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内 能等等J这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且是通过做功来完成的这一 转化过程。某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。某 个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且

7、减少量和增加量一定相等。保守力学系统：在一定过程中，若质点系机械能始终保持恒定，且只有该质点系内部 发生动能和势能的相互转换，就说该质点系机械能守恒。机械能守恒的系统称保守力系统。根据机械能守恒的含义和功能原理，可写出机械能守恒定律：在一过程中若非保守力 不做功，则质点系机械能守恒，即： 七常量。热力学系统：在研究物理现象时，人们通常只注意某一物体或物体系，并想象地把 它同周围的物体隔离开来。在热学中，我们把这一被确定为研究对象的物体或物体系叫做热力学系统，简称系统。根据对热学系统描述方法(宏观描述和微观描述)的不同，形成了热 学的两种理论：宏观理论与微观理论，即热力学和统计物理学。19世纪4

8、0年代，德国医生迈 耶(Robert von Mayer)、德国物理学家和生理学家亥姆霍兹(H.Helmholtz)、英国律师格罗 夫(WRGrove)、丹麦物理学家柯尔丁 (L.A.Colding)等先后通过不同的研究途径确定了热 力学第一定律。热力学第一定律是能量转化和守恒定律在涉及热现象的过程中的具体形式。因为它所 说的状态是指系统的热力学状态，它所说的能量是指系统的内能。如果考察的是所有形式的 能量(机械能、内能、电磁能等)，热力学第一定律就推广为能量守恒定律。这个定律指出： 自然界中各种不同形式的能量都能够从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递给另一 个系统，在转化和传递中总能量

9、守恒。相对论性力学：在相对论里，质量和能量可以相互转变及质量改变带来能量变化， 能量守恒定律依然成立，历史上也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定律。总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化，能量 能够转换，从一种形态转变成另一种形态，系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去 离开系统的能量。3 .能量守恒定律在现代科学中的重要意义能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，从物理、化学到地质、生 物，大到宇宙天体小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律从日常生 活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用人类对各种能量，如煤、石油

10、等燃 料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的能量守恒定律是人们认识自 然和利用自然的有力武器能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能 创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在 能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。董光壁在世界物理学史中指出：“拉格朗 日和哈密顿的工作使力学彻底摆脱了对几何学的依赖，成为完全分析的形式，并且以能量取 代力的概念体系为力学在物理学领域的广泛应用开辟了道路J能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的定律之一，从物理学、化学到地质学、生物 学，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一

11、定服从能量守恒定律。能量守恒定律使人们认识自然和利用自然的有力武器。早在1842年雅可比就指出，对于一个能够 用拉氏量L来描述的体系，L在体系平移下的不变性将导致动量守恒；在空间转动下的不变 性将导致角动量守恒。科学史家丹皮尔在评论牛顿理论体系时所言：“牛顿赋予世界必面的 惊人的秩序与和谐所给我们的美感上的满足，超过凭藉任何天真的常识观或亚里斯多德的谬 误概念，或诗人们的神秘想象所见到的、万花筒式的混乱的自然界J势阱是指势能函数曲线在某一个空间（有限范围内）势能最小；类似于粒子在力场中运 动中，遇到一个陷阱。换句话说，势阱是指电子的势能图像体现为一个波的形状；当电子处 于波谷，电子就很难跑出来

12、。对于量子力学来说，电子具有某些概率穿过势阱跑出来，可称 为隧穿效应。这意味着，粒子处于束缚态就是粒子的运动都被限制在一个很小的空间范围以 内。物质具有永恒性（不生不灭），但是具有各种形态变化。物质总是保持不断运动，物质 的运动是最基本的属性，而物质的能量是物质运动转换的量度。能量可表达物理系统做功的 本领（量度）。拉格朗日量（拉氏量）具有对称性，这意味着，以某种特定方式转动（或移动）时，其并 不会发生改变。拉格朗日量（拉氏量）的对称性很重要，利用其对称性可构造守恒量。物理 学的守恒量是保持不变的可观测物理量。能量守恒是时间平移对称性的结果，时间平移不变 性意味着拉格朗日量（拉氏量）本身不显含

13、时间。拉格朗日量（拉氏量）的本质就是该孤立 量子体系的能量。如果一个孤立量子体系统的背景空间不随时间改变，则该孤立量子体系统 的总能量将不随时间改变。4 .能量守恒定律与坐标变换换位思考能量守恒与坐标变换的关系，分析能量守恒定律对坐标变换的要求，按照现代 物理的说法，能量守恒只在每个参照系各自内部都有一套描述守恒的方法，它们都在自己的 描述下承认能量守恒，则必需要假设在二个坐标系能量守恒成立。对于同一个物理过程，只 要一个坐标系能量守恒，在其他坐标系能量一定守恒，符合爱因斯坦的科学思想一一物理规 律对于所有的参照系都相同。坐标系一坐标系二能量守恒成立，即：1、所 有形式能量等量转换原 则。能量

14、守恒成立，即：1、所 有能量形式等量转换原 则。2、在能量转换和传递过程2、在能量转换和传递过程1、等量转换原则2、EE二常量1、等量转换原则2、EE二常量能量守恒定律对坐标变换的要求能量守恒定律在母个参照系各门内部都有一套描述守恒的方 法，它们都在自己的描述卜承认能量守恒。能量增量存在劭标转换关系.令：f（x）能量守恒成S,即：1、所有形式能量等 量转换原则C2、住能耐粘换和传 递过程中能量的总 於恒定不变为两坐标系能量变化鼠:坐标变换函数2、在能僦轧换和传 递过程中能量的总 星恒定不变小标熟能量守恒定律对坐标变换的要求：1、所仃形式能量变 化吊（能储增吊）的坐标变换必需完全一致,2、在坐 标系一等量的能量变化量（能量增量），在另一坐标系 观测，能玳变化量（能用增城）必是等量C力实是拧种形式能战的坐标变换不一，则各形式能不的能1I；塔M坐标变化不一参考文献:1美HoltonG,张大卫译.物理科学的概念和理论导论.上册.第1版.北京：高等教育出版社，1983: 338.2黄淑清，聂宜如，申先甲.热学教程M.北京：高等教育出版社，1994,12（2005重印）.264.3范岱年，许良英等.爱因斯坦全集第二卷瑞士时期（19001909） M.长沙：湖南科学技术出版社，2002, 244.