物理学中的能量守恒定律
物理学中的能量守恒定律
瞿童
恩格斯曾经把能量转化和守恒定律称为“伟大的运动基本规律”,认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一。作为物理学中最普遍的规律之一,深刻的理解这条规律并充分了解它的形成过程对我们学好物理及认识世界都有重要的意义。
曾经在百度知道上看见一位网友的提问,题目的内容大体是这样:如图所示,在光滑的水平面上固定一螺线管,将开关闭合后,有一个轻质小车,车上放一条形磁铁,以初速度v 朝螺线管运动,小车在靠近螺线管的过程中()
A 电流表中无电流通过,小车匀速运动。
B 电流表中有电流通过,小车减速运动。
C 电流表中无电流通过,小车减速运动。
D 电流表中有电流通过,小车加速运动。
看了众多网友的回复基本都能将正确答案B 选择出来,但是在分析小车做什么样的运动时基本上都是使用的楞次定律再结合右手准则进行判断,可不巧的是提问者是一位初三学生,所学内容还没有涉及楞次定律。不过要是我们换一个思路从能量的角度去看这道问题,反而可以使问题得到简化,由于磁通量的变化导致电路中产生电流,既然产生电流那势必会伴随热的产生,那这个热量是从哪里来的呢?那答案只有一个小车以牺牲速度(动能)来换取热量,能量由一种形式转化为了另一种形式。试想一下,如果是加速运动,那能量就凭空多出来了,显然违背了能量转化与守恒定律。
发展及形成过程
自十七世纪以来,能量守恒的思想就在不同的领域渐渐的形成,并最终促使了它的发现,从十九世纪三十年代到五十年代这短短的二十年间就有至少十二位的先驱者通过不同的途径对能量守恒定律的发现做出了突出的贡献。例如卡诺等人主要是从研究蒸汽机的效率而得出热功当量并接近能量守恒观念的,迈尔、赫姆霍兹等人主要是从化学,生理学现象的研究而走向发现能量守恒定律的。焦耳、法拉第等人主要是从电磁现象的研究接近能量守恒观念,他们工作的侧重点也有所不同,例如,迈尔侧重哲学的思辨与经验事实的概括,焦耳侧重实验的测定与验证;而赫姆霍兹既有哲学的引导,又有数学的表达与论证。总之到了十九世纪三十年代,一幅机械运动,电磁运动,热运动,化学运动,生命运动相互联系,相互转化的图景已经展现在人们的眼前,可以说,自然科学的这些成就为能量守恒定律做了必要的准备。 哲学思想的启发
越往后学,你越会觉得物理是和哲学紧密的联系在一起的,简单的想一想也是和容易想明白的,哲学和物理都是认识世界的,不过一个有时候是非科学性的,而另一个是科学性的。纵观历史我们会发现,大体有成就的物理大家在哲学上也颇有建树。在这里我想用钱学森老先生的一句话“没有哲学的科学是瞎子,没有科学的哲学是跛子”来简单说明哲学和科学的关系,哲学可以为我们的科学研究提供大体的方向,而科学研究也可以反过来证实我们的猜测和想法对不对,说到底我们是要用联系的观点去看待事物,不应该将事物隔离开来,既然一个事物是存在的,那么他势必会对其他事物产生影响,否则他就失去了存在的理由。能量守恒定律就是联系了不同的领域的科学成就而总结出的一条普适规律,从另一个层面也反映出了物理的简洁之美。
永动机的失败
提到能量守恒定律那么就不能不提永动机,
从古代开始就有人梦想制造出一种不消耗能
量而源源不断的向外部提供能量的机器,这就是永动机最初设计的目的。虽然最终都以失败而告终但对能量守恒定律的提出有一定的促进作用。反过来能量守恒定律对于制造永动机的不可能实现给予了科学上最后的判决,彻底粉碎了制造永动机的幻想。据说永动机的概念发端于印度,在公元12世纪传入欧洲。文艺复兴时期意大利伟大学者达 芬奇(Leonardo da vinc,1452-1519)曾经用不少精力研究永动机。可贵的是他最后得到了永动机不可能的结论。随着对永动机不可能的认识,一些国家对永动机给出了限制,如早在1775年法国科学院就决定不在刊登有关永动机的通讯,1917年美国专利局决定不再接受永动机专利的申请。
据英国专利局的助理评审员F.charlesworth 称:英国的第一个永动机专利是1635年,在1617年到1903年之间英国专利局就收到约600项永动机专利的申请,这还不包括利用重力原理之外的永动机专利申请,而美国在1917年之后还有不少一时看不出奥妙的永动机方案被专利局接受。
实际应用
在理论上,能量守恒定律为物理学的发展提供了一个有力的支点,是经典物理学从经验科学发展成一系列完整的理论科学。自从这个定律建立以来,自然科学,特别是物理学中的每一个理论,都要经过他的检验,从科学实践的角度去看,迄今为止,人们还没有发现能量守恒定律有例外。相反,每当在实验中观察到似乎是违反能量守恒定律的现象时,即出现了能量守恒似乎被破坏的情况,科学家们总是倾向于假定有某种未知类型的能量存在,而不愿意考虑能量不守恒的可能性。如人们发现,在两个运动着微观粒子的电磁相互作用下,两个粒子的动量的矢量和似乎是不守恒的。这时物理学家又把动量推广到了电磁场,把电磁场的动量也考虑进去,总的动量就又守恒了。
总结
能量守恒定律作为一条重要的自然定律,反映了人们认识自然规律的历程,人类正是这样一步步的认识物质世界的。既然是一条普适规律,在以后的学习和研究中都要注意自觉的使用这一条规律。认识这样的一条规律不能只是停留在表面,我们还得了解它形成的那段历史,这样才能更加充分的理解它,并在实际中加以运用。我想当你仔细研读这段科学史的时候,那些为能量守恒定律的创建做出贡献的物理学家的研究方法对我们也一定很有启发。
参考资料
[1] 酷恩:《科学传统与变革论文选》,福建人民出版社,1981年
[2] 陈毓芳:《物理学史简明教程》
[3] 百度知道
[4] 百度百科