能量守恒定律的形成與發(fā)展.doc

內(nèi)蒙古民族大學(xué)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(gè)世紀(jì),一大批著名物理學(xué)家為此做出貢獻(xiàn),利用這一定律能解決許多實(shí)際問(wèn)題,例如否定永動(dòng)機(jī)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(duì)能量守恒定律的研究無(wú)論在理論上還是在實(shí)際上都很重要.1.能量守恒定律發(fā)展的主要?dú)v程以及為此做出主要貢獻(xiàn)的科學(xué)家1.1 德國(guó)的羅伯特邁爾通過(guò)對(duì)動(dòng)物熱的研究二發(fā)現(xiàn)能量守恒羅伯特邁爾生于德國(guó)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(xué)醫(yī)的道路，1840年到1841年初，邁爾在一艘海輪上為了幾個(gè)月隨船醫(yī)生，這段船上的生活雖然不長(zhǎng)，卻開(kāi)闊了邁爾的視野，激發(fā)了他的科學(xué)聯(lián)想，更重要的是，這段歷程使他從醫(yī)學(xué)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(shí)，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(guó)家的人的靜脈血那樣暗淡，而是像動(dòng)脈血那樣鮮艷。當(dāng)?shù)蒯t(yī)生告訴他這種現(xiàn)象在當(dāng)?shù)厥堑教幙梢?jiàn)的他還聽(tīng)海員說(shuō)，下雨時(shí)海水比較熱，看到這些現(xiàn)象邁爾想到食物中含有化學(xué)能，它可以轉(zhuǎn)化為熱，在熱帶高溫情況下，機(jī)體只需要吸收食物中少許的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過(guò)程減弱了，應(yīng)此靜脈血中留下了較多的氧。邁爾還認(rèn)為，除了人體體熱來(lái)自食物轉(zhuǎn)化而來(lái)的化學(xué)能之外，人體動(dòng)力也來(lái)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(duì)自己在海輪上的發(fā)現(xiàn)繼續(xù)進(jìn)行研究，寫(xiě)成了一篇題為論力的量和質(zhì)的測(cè)定的論文，投給德國(guó)當(dāng)時(shí)最具權(quán)威性的刊物物理學(xué)和化學(xué)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(xué)，他認(rèn)為邁爾的文章引進(jìn)了思辨的內(nèi)容和缺少精確的實(shí)驗(yàn)，邁爾在初次受挫之后，并不氣餒，繼續(xù)努力，后來(lái)他又寫(xiě)成論無(wú)機(jī)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(xué)家李比希發(fā)表于他主編的化學(xué)和數(shù)學(xué)的刊物上，在這篇文章中，邁爾從”無(wú)不生又，有不生物”原因等于結(jié)果等哲學(xué)觀念出發(fā)，表達(dá)了物理，化學(xué)過(guò)程中力的守恒的思想。1845年，邁爾自費(fèi)發(fā)表了第二篇論文與有機(jī)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的新陳代謝，在文章中闡述了有關(guān)能量轉(zhuǎn)換的相互關(guān)系，他指出機(jī)械能的消耗可以轉(zhuǎn)換成熱的，磁的，電的，化學(xué)的效應(yīng)，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(guò)實(shí)驗(yàn)精確地測(cè)量了熱功當(dāng)量值焦耳在1818年12月24日生于英國(guó)曼徹斯特。青年時(shí)期，在別人的介紹下焦耳認(rèn)識(shí)了著名的化學(xué)家道爾頓，焦耳向他虛心地學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)，哲學(xué)和化學(xué)。這些知識(shí)為焦耳后來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)，焦耳首先研究了電流的熱線應(yīng)1840年他寫(xiě)出了論文電解時(shí)在金屬導(dǎo)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(xué)變化所產(chǎn)生的熱量。電流的機(jī)械動(dòng)力和加熱能力都和電流強(qiáng)度有同樣的比例，所以電流的機(jī)械動(dòng)力和加熱能力成正比。后來(lái)焦耳用實(shí)驗(yàn)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(jī)械功，用現(xiàn)在通用的單位，這個(gè)值約為460千克每千卡，但是焦耳得出結(jié)論一些大物理學(xué)家懷疑不信任，焦耳決心以更多的方法得到了熱的機(jī)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(gè)結(jié)論寫(xiě)入論由空氣脹縮所產(chǎn)生的溫度變化一文中。1847年6月，當(dāng)焦耳要求在牛津舉行的英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)上宣讀自己的論文時(shí)，會(huì)議主席以內(nèi)容太多為理由，只允許他簡(jiǎn)單介紹一下他自己的實(shí)驗(yàn)，但在他發(fā)言之后，當(dāng)時(shí)已很有名氣的青年物理學(xué)家威廉湯姆遜站起來(lái)提出了質(zhì)疑，認(rèn)為焦耳的結(jié)論是同法國(guó)工程師所建立的熱機(jī)理論相矛盾的。因?yàn)楹笳呤且詿豳|(zhì)說(shuō)為出發(fā)點(diǎn)的，這個(gè)質(zhì)問(wèn)反而引起了人們對(duì)焦而的注意，后來(lái)焦耳又進(jìn)行了摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)。1849年6月，他將論文論熱的機(jī)械當(dāng)量經(jīng)法拉第將送皇家學(xué)會(huì)，被皇家學(xué)會(huì)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(fèi)相當(dāng)于772磅重物下降一英尺所作的機(jī)械功。這個(gè)值即424.3千克每千卡。這個(gè)測(cè)量結(jié)果通三十年后，由美國(guó)物理學(xué)家羅蘭所作出的測(cè)量在1/1400的誤差范圍相一致的。由此可見(jiàn)焦耳實(shí)驗(yàn)的精確性。此后焦耳還繼續(xù)進(jìn)行了他的實(shí)驗(yàn)裝置，一直到1878年，他前后用了近400多次實(shí)驗(yàn)，確定了熱功當(dāng)量的精確數(shù)值，為能量守恒原理的建立提供了可靠的實(shí)驗(yàn)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(gè)中學(xué)教師家庭，182年獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，他提倡以物理學(xué)、化學(xué)為基礎(chǔ)來(lái)研究生物學(xué)。提出提問(wèn)和肌肉的作用來(lái)源于食物的燃燒熱。通過(guò)對(duì)動(dòng)物體的大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出：一種自然力如果由另一種自然力產(chǎn)生時(shí)，其中的當(dāng)量不變。這最終導(dǎo)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(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)表了著名的關(guān)于力的守恒講演。他從當(dāng)時(shí)已有的科學(xué)成果第一次用數(shù)學(xué)方法詳細(xì)地他出能量守恒定律。主要論點(diǎn)是：1一切科學(xué)都可以歸結(jié)為力。2證明了牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)在數(shù)學(xué)上的等價(jià)，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(lái)量度力；3所有這些能量是守恒的。他還討論了當(dāng)時(shí)已知的力學(xué)、電學(xué)、化學(xué)的各種科學(xué)成果。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣撟C了各種運(yùn)動(dòng)中能量的守恒定律，這些內(nèi)容后來(lái)寫(xiě)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(shí)驗(yàn)方面測(cè)定了熱功當(dāng)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(yù)通常主要?dú)w之于他們?nèi)恕?.能量守恒定律的推導(dǎo)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(guò)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(wú)數(shù)事實(shí)中得出來(lái)的結(jié)論是物理學(xué)中具有普遍性的定律之一,可以適用于任何變化過(guò)程,無(wú)論是機(jī)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(jī)械、熱兩方面的能量守恒定律的推導(dǎo)。2.2在機(jī)械方面能量守恒的推導(dǎo)以前學(xué)過(guò)系統(tǒng)動(dòng)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(duì)于幾個(gè)物體組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，包括一切外力的功和一切內(nèi)力的功。內(nèi)力之中，由應(yīng)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(xiě)為下式后就更清楚了 （2）這里式（2）是適用于一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能定理，保守內(nèi)力（重力和彈性力）作功的同時(shí)，系統(tǒng)的勢(shì)能（重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能）將發(fā)生改變。保守力的功等于勢(shì)能增量的負(fù)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(fù)功（例如系統(tǒng)內(nèi)的滑動(dòng)摩擦力）。但是無(wú)論作正功或負(fù)功。都沒(méi)有與之相關(guān)的勢(shì)能的改變。將式（3）代入式（2），得 （4）動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能上式說(shuō)明：系統(tǒng)機(jī)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(jī)械能保持不變，這一結(jié)論稱為機(jī)械能守恒定律。我們把它敘述如下：對(duì)于由若干個(gè)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(dòng)能與各種勢(shì)能（重力勢(shì)能、彈性勢(shì)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(xué)方面能量守恒的推導(dǎo)在一般情況下，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，做功和熱傳遞往往是同時(shí)存在的。如果有一系統(tǒng)，外界對(duì)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(shí)系統(tǒng)對(duì)外做功為，那么上式就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表示。熱力學(xué)第一定律說(shuō)明：外界對(duì)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(duì)外所作的功。顯然，熱力學(xué)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(xué)、電磁學(xué)中的應(yīng)用3.1.第三宇宙速度的計(jì)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(yáng)系。（1）.一種錯(cuò)誤的算法 選用太陽(yáng)為參考系，設(shè)Ms、Me、m分別為太陽(yáng)，地球，火箭的質(zhì)量，R為火箭距太陽(yáng)的距離，火箭相對(duì)于太陽(yáng)的的發(fā)射速度為此時(shí)動(dòng)能為，還具有兩部分勢(shì)能，太陽(yáng)火箭勢(shì)能;火箭地球勢(shì)能（是地球半徑）當(dāng)火箭溢出太陽(yáng)系到無(wú)限遠(yuǎn)處時(shí)，動(dòng)能勢(shì)能都為0，則有機(jī)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(duì)于地球的發(fā)射速度為：，但這個(gè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，錯(cuò)誤在于沒(méi)有考慮火箭溢出地球引力過(guò)程中地球動(dòng)能的改變，選用太陽(yáng)參考系系時(shí)此改變不能略去。（2），簡(jiǎn)明的計(jì)算 先考慮遠(yuǎn)離地球之后火箭有多大的速度才能逃出太陽(yáng)系，所需最小速度為，由于人造星體在整個(gè)飛行過(guò)程中同時(shí)受到地球和太陽(yáng)以及其他星體的引力，現(xiàn)在假設(shè)從地球發(fā)射到脫離地球引力范圍的過(guò)程中，僅考慮受到地球的引力作用當(dāng)脫離地球引力范圍后，僅考慮太陽(yáng)引力作用，物體飛出太陽(yáng)系必須滿足：從而。由于火箭在地球表面發(fā)射時(shí)以太陽(yáng)為參考系，但對(duì)太陽(yáng)而言地球并非靜止，它繞太陽(yáng)的平均速度，所以物體遠(yuǎn)離地球時(shí)相對(duì)于地球的速度只需，此時(shí)火箭動(dòng)能為，火箭地球勢(shì)能為，有機(jī)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(chǎng)力做功的關(guān)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(shí)電容器能量發(fā)生變化，增量為,（1）.設(shè)移動(dòng) 時(shí)不變，如圖一所示，此時(shí)電場(chǎng)力的功應(yīng)等于電場(chǎng)能的減少。 ，則，,若二極板互相接近，則變大，減小，作正功，對(duì)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?yàn)檫€有電源參與能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。 ，。電源提供能量剛好一半用于電場(chǎng)力做功，另一半增加電場(chǎng)能量。若兩極板接近，則電場(chǎng)力作正功，同時(shí)電場(chǎng)力還增加同一數(shù)量，都取自充電電源，若二極板遠(yuǎn)離，一切反過(guò)來(lái)，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(xué)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(xué)研究，工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類對(duì)各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、核能等的利用，都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)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(xué)定理都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的反復(fù)的檢驗(yàn)，特別是在把特點(diǎn)領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)的定律移植到其他領(lǐng)域的時(shí)候，往往會(huì)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(shí)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(rèn)同的定律，在沒(méi)有進(jìn)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)的領(lǐng)域里，仍然不能一廂情愿的認(rèn)為他是正確的，焦耳在研究機(jī)械能和熱能的基礎(chǔ)上提出能量守恒定律，當(dāng)時(shí)科學(xué)家還不了解電磁相互作用，所以能量守恒定律沒(méi)有經(jīng)過(guò)電磁相互作用的檢驗(yàn)。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(lái)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(fù)雜性，給物理學(xué)定律的檢驗(yàn)帶來(lái)很大的困難。導(dǎo)致這樣的檢驗(yàn)是漫長(zhǎng)的，是無(wú)止境的。我們可以說(shuō)能量守恒定律在現(xiàn)在的知識(shí)領(lǐng)域里是正確的，但是如在任何領(lǐng)域內(nèi)任何情況下都是正確的就不是科學(xué)研究應(yīng)有的態(tài)度了，因此我們應(yīng)該在不同領(lǐng)域內(nèi)檢驗(yàn)它，并不斷完善補(bǔ)充它的內(nèi)容。6.結(jié)束語(yǔ)本文是在介紹能量守恒定律發(fā)現(xiàn)歷程的基礎(chǔ)上，逐步理解能量守恒定律，并在具體實(shí)例中利用能量守恒定律解決問(wèn)題，突出能量守定律在物理學(xué)中的重要地位。參考文獻(xiàn)：1 陳敏房物理學(xué)史簡(jiǎn)明