能量守恒定律的形成與發(fā)展.doc

內(nèi)蒙古民族大學本科生畢業(yè)論文引 言能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)了幾個世紀,一大批著名物理學家為此做出貢獻,利用這一定律能解決許多實際問題,例如否定永動機的存在,為不同能量之間的轉(zhuǎn)化提供理論支持等等.因此,對能量守恒定律的研究無論在理論上還是在實際上都很重要.1.能量守恒定律發(fā)展的主要歷程以及為此做出主要貢獻的科學家1.1 德國的羅伯特邁爾通過對動物熱的研究二發(fā)現(xiàn)能量守恒羅伯特邁爾生于德國的海爾布隆，他的父親是位藥劑師，在父親的影響下，他走上了學醫(yī)的道路，1840年到1841年初，邁爾在一艘海輪上為了幾個月隨船醫(yī)生，這段船上的生活雖然不長，卻開闊了邁爾的視野，激發(fā)了他的科學聯(lián)想，更重要的是，這段歷程使他從醫(yī)學的途徑得出了能量守恒的結(jié)論，位海輪駛經(jīng)熱帶海域時，很多船員患了肺炎，在醫(yī)治中邁爾發(fā)現(xiàn)，他們的靜脈血不像生活在熱帶國家的人的靜脈血那樣暗淡，而是像動脈血那樣鮮艷。當?shù)蒯t(yī)生告訴他這種現(xiàn)象在當?shù)厥堑教幙梢姷乃€聽海員說，下雨時海水比較熱，看到這些現(xiàn)象邁爾想到食物中含有化學能，它可以轉(zhuǎn)化為熱，在熱帶高溫情況下，機體只需要吸收食物中少許的熱量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，應此靜脈血中留下了較多的氧。邁爾還認為，除了人體體熱來自食物轉(zhuǎn)化而來的化學能之外，人體動力也來自同一能源。1841年初，邁爾結(jié)束了海輪上的行醫(yī)生活，回到了海爾布隆，工作之余他對自己在海輪上的發(fā)現(xiàn)繼續(xù)進行研究，寫成了一篇題為論力的量和質(zhì)的測定的論文，投給德國當時最具權(quán)威性的刊物物理學和化學年檢，但是該雜志的主編根道夫十分厭惡黑格爾的思辨哲學，他認為邁爾的文章引進了思辨的內(nèi)容和缺少精確的實驗，邁爾在初次受挫之后，并不氣餒，繼續(xù)努力，后來他又寫成論無機界的力一文。這篇文章在1842年5月被一向注意各種自然力的著名化學家李比希發(fā)表于他主編的化學和數(shù)學的刊物上，在這篇文章中，邁爾從”無不生又，有不生物”原因等于結(jié)果等哲學觀念出發(fā)，表達了物理，化學過程中力的守恒的思想。1845年，邁爾自費發(fā)表了第二篇論文與有機運動相聯(lián)系的新陳代謝，在文章中闡述了有關能量轉(zhuǎn)換的相互關系，他指出機械能的消耗可以轉(zhuǎn)換成熱的，磁的，電的，化學的效應，在這篇文章中邁爾肯定力的轉(zhuǎn)化與守恒定律是支持宇宙的普遍規(guī)律。1.2 焦耳通過實驗精確地測量了熱功當量值焦耳在1818年12月24日生于英國曼徹斯特。青年時期，在別人的介紹下焦耳認識了著名的化學家道爾頓，焦耳向他虛心地學習了數(shù)學，哲學和化學。這些知識為焦耳后來的研究奠定了基礎，焦耳首先研究了電流的熱線應1840年他寫出了論文電解時在金屬導體和電池組中放出的熱一文。得出結(jié)論：電路放出的全部熱量正好等于電池中物質(zhì)化學變化所產(chǎn)生的熱量。電流的機械動力和加熱能力都和電流強度有同樣的比例，所以電流的機械動力和加熱能力成正比。后來焦耳用實驗得出：使一磅水增加一千的熱量等于把838磅的物質(zhì)提高一英尺的機械功，用現(xiàn)在通用的單位，這個值約為460千克每千卡，但是焦耳得出結(jié)論一些大物理學家懷疑不信任，焦耳決心以更多的方法得到了熱的機械能的數(shù)值分別為436千克每千卡，和438千克每千卡。他把這個結(jié)論寫入論由空氣脹縮所產(chǎn)生的溫度變化一文中。1847年6月，當焦耳要求在牛津舉行的英國科學促進協(xié)會上宣讀自己的論文時，會議主席以內(nèi)容太多為理由，只允許他簡單介紹一下他自己的實驗，但在他發(fā)言之后，當時已很有名氣的青年物理學家威廉湯姆遜站起來提出了質(zhì)疑，認為焦耳的結(jié)論是同法國工程師所建立的熱機理論相矛盾的。因為后者是以熱質(zhì)說為出發(fā)點的，這個質(zhì)問反而引起了人們對焦而的注意，后來焦耳又進行了摩擦生熱的實驗。1849年6月，他將論文論熱的機械當量經(jīng)法拉第將送皇家學會，被皇家學會刊印。在這篇論文中，焦耳總結(jié)：要產(chǎn)生一磅水升高一F的熱量，需要花費相當于772磅重物下降一英尺所作的機械功。這個值即424.3千克每千卡。這個測量結(jié)果通三十年后，由美國物理學家羅蘭所作出的測量在1/1400的誤差范圍相一致的。由此可見焦耳實驗的精確性。此后焦耳還繼續(xù)進行了他的實驗裝置，一直到1878年，他前后用了近400多次實驗，確定了熱功當量的精確數(shù)值，為能量守恒原理的建立提供了可靠的實驗根據(jù)。1.3 赫爾姆霍茨從物理理論方法論證了能量守恒定律赫爾姆霍茨1821年10月31日出生于柏林波茨坦的一個中學教師家庭，182年獲醫(yī)學博士學位，他提倡以物理學、化學為基礎來研究生物學。提出提問和肌肉的作用來源于食物的燃燒熱。通過對動物體的大量實驗，總結(jié)出：一種自然力如果由另一種自然力產(chǎn)生時，其中的當量不變。這最終導致他明確提出能量守恒定律。1847年赫爾姆霍茨在新成立的德國物理學會發(fā)表了著名的關于力的守恒講演。他從當時已有的科學成果第一次用數(shù)學方法詳細地他出能量守恒定律。主要論點是：1一切科學都可以歸結(jié)為力。2證明了牛頓力學和拉格朗日力學在數(shù)學上的等價，因而可以用拉格朗日的方法以力所傳受的能量或它所做的功來量度力；3所有這些能量是守恒的。他還討論了當時已知的力學、電學、化學的各種科學成果。嚴謹?shù)卣撟C了各種運動中能量的守恒定律，這些內(nèi)容后來寫成專著力之守恒，于1853年發(fā)表。邁爾偏重于從自然力的相互聯(lián)系方面提出能量守恒的概念，焦耳從實驗方面測定了熱功當量，而赫爾姆霍茨則是從物理理論方面論證了能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律性，所以提出能量守恒定律的榮譽通常主要歸之于他們?nèi)恕?.能量守恒定律的推導2.1 什么是能量守恒定律能量守恒定律可以這樣敘述:在封閉系統(tǒng)內(nèi)不論發(fā)生何種變化過程,各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,但能量的總和是恒量.能量守恒定律是無數(shù)事實中得出來的結(jié)論是物理學中具有普遍性的定律之一,可以適用于任何變化過程,無論是機械的、熱的、電磁的、原子和原子核內(nèi)的等等。在此僅介紹在機械、熱兩方面的能量守恒定律的推導。2.2在機械方面能量守恒的推導以前學過系統(tǒng)動能定理 （1）這里，和分別表示系統(tǒng)在終態(tài)和初態(tài)的總能量，表示作用在各物體上所有的力所作的功的總和。對于幾個物體組成的系統(tǒng)來說，包括一切外力的功和一切內(nèi)力的功。內(nèi)力之中，由應將保守內(nèi)力和非保守內(nèi)力加以區(qū)分所以上式可改寫為下式后就更清楚了 （2）這里式（2）是適用于一個系統(tǒng)的動能定理，保守內(nèi)力（重力和彈性力）作功的同時，系統(tǒng)的勢能（重力勢能和彈性勢能）將發(fā)生改變。保守力的功等于勢能增量的負值，即 （3） 至于非保守內(nèi)力的功可以是正功（例如系統(tǒng)內(nèi)的爆炸沖力），也可以是負功（例如系統(tǒng)內(nèi)的滑動摩擦力）。但是無論作正功或負功。都沒有與之相關的勢能的改變。將式（3）代入式（2），得 （4）動能、重力勢能、彈性勢能統(tǒng)稱為機械能上式說明：系統(tǒng)機械能的增量等于外力的功和非保守內(nèi)力的功的總和，顯然在外力和非保守內(nèi)力都不作功或所作的總功為零的情形下由（4）得恒量 （5）亦即系統(tǒng)的機械能保持不變，這一結(jié)論稱為機械能守恒定律。我們把它敘述如下：對于由若干個物體組成的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)內(nèi)只有保守力（如重力、彈性力）作功，其他非保守內(nèi)力和一切外力所作的總功為零，那么，系統(tǒng)內(nèi)各物體的動能與各種勢能（重力勢能、彈性勢能）之間雖然可以互相轉(zhuǎn)化，但是它們的總和總是恒量。2.3在熱學方面能量守恒的推導在一般情況下，當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，做功和熱傳遞往往是同時存在的。如果有一系統(tǒng)，外界對系統(tǒng)傳遞的熱量為,系統(tǒng)從內(nèi)能為的狀態(tài)（初狀態(tài)）,改變到內(nèi)能為的狀態(tài)（末狀態(tài)），同時系統(tǒng)對外做功為，那么上式就是熱力學第一定律的數(shù)學表示。熱力學第一定律說明：外界對系統(tǒng)所傳遞的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，一部分用于系統(tǒng)對外所作的功。顯然，熱力學第一定律就是包括熱量在內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。3 .能量守恒定律在力學、電磁學中的應用3.1.第三宇宙速度的計算從地球出發(fā)的火箭如具有第三宇宙速度，則不僅能脫離地球還可以逃逸太陽系。（1）.一種錯誤的算法 選用太陽為參考系，設Ms、Me、m分別為太陽，地球，火箭的質(zhì)量，R為火箭距太陽的距離，火箭相對于太陽的的發(fā)射速度為此時動能為，還具有兩部分勢能，太陽火箭勢能;火箭地球勢能（是地球半徑）當火箭溢出太陽系到無限遠處時，動能勢能都為0，則有機械能守恒定律得：,從而，。由于地球公轉(zhuǎn)的速度為，則火箭相對于地球的發(fā)射速度為：，但這個結(jié)果是錯誤的，錯誤在于沒有考慮火箭溢出地球引力過程中地球動能的改變，選用太陽參考系系時此改變不能略去。（2），簡明的計算 先考慮遠離地球之后火箭有多大的速度才能逃出太陽系，所需最小速度為，由于人造星體在整個飛行過程中同時受到地球和太陽以及其他星體的引力，現(xiàn)在假設從地球發(fā)射到脫離地球引力范圍的過程中，僅考慮受到地球的引力作用當脫離地球引力范圍后，僅考慮太陽引力作用，物體飛出太陽系必須滿足：從而。由于火箭在地球表面發(fā)射時以太陽為參考系，但對太陽而言地球并非靜止，它繞太陽的平均速度，所以物體遠離地球時相對于地球的速度只需，此時火箭動能為，火箭地球勢能為，有機械能守恒定律得：,從而得出發(fā)射速度，即第三那宇宙速度。其中：3.2.電容器能量和電場力做功的關系。圖.2Fig.2圖.1Fig.1平行電容器，電容為，已充電至電量為，電壓為，若兩極板相互接近一段距離，則靜電力做功為，同時電容器能量發(fā)生變化，增量為,（1）.設移動 時不變，如圖一所示，此時電場力的功應等于電場能的減少。 ，則，,若二極板互相接近，則變大，減小，作正功，對外輸出能量。（2）.充電電源始終與電容器相連，維持其電壓不變，如圖2所示，則，因為還有電源參與能量轉(zhuǎn)換過程。 ，。電源提供能量剛好一半用于電場力做功，另一半增加電場能量。若兩極板接近，則電場力作正功，同時電場力還增加同一數(shù)量，都取自充電電源，若二極板遠離，一切反過來，兩份能量送回電源。4.能量守恒定律的意義能量守恒定律是自然界最普遍最重要的基本定律之一，從物理、化學到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體，小到原子核的內(nèi)部，只要有能量轉(zhuǎn)化就一定服從能量守恒定律的規(guī)律。從日常生活到科學研究，工程技術，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用，都是通過能量轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，能量守恒定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。5. 能量守恒定律的發(fā)展物理學定理都要經(jīng)過嚴格的反復的檢驗，特別是在把特點領域里發(fā)現(xiàn)的定律移植到其他領域的時候，往往會出現(xiàn)定律被破壞的情況，比如，與稱守恒定律在弱相互作用和電磁相互作用時先后被打破。這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。即使是被人類廣泛認同的定律，在沒有進過嚴格檢驗的領域里，仍然不能一廂情愿的認為他是正確的，焦耳在研究機械能和熱能的基礎上提出能量守恒定律，當時科學家還不了解電磁相互作用，所以能量守恒定律沒有經(jīng)過電磁相互作用的檢驗。我們知道在一般情況下，電磁能是符合能量守恒定律的，但也是不能排除特殊情況的例外。比如宇稱守恒定律也曾經(jīng)被證明磁相互作用下是正確大的，但是后來被發(fā)現(xiàn)在Anapole的特殊結(jié)構(gòu)中就不正確。由于電磁結(jié)構(gòu)的多樣性和復雜性，給物理學定律的檢驗帶來很大的困難。導致這樣的檢驗是漫長的，是無止境的。我們可以說能量守恒定律在現(xiàn)在的知識領域里是正確的，但是如在任何領域內(nèi)任何情況下都是正確的就不是科學研究應有的態(tài)度了，因此我們應該在不同領域內(nèi)檢驗它，并不斷完善補充它的內(nèi)容。6.結(jié)束語本文是在介紹能量守恒定律發(fā)現(xiàn)歷程的基礎上，逐步理解能量守恒定律，并在具體實例中利用能量守恒定律解決問題，突出能量守定律在物理學中的重要地位。參考文獻：1 陳敏房物理學史簡明