能量形式概念是錯(cuò)誤的嗎

1、“能量形式 ”概念是錯(cuò)誤的嗎 ?教 學(xué) 研 究張三慧(清華大學(xué)物理系 ,北京100084 )(收稿日期 : 2011 201 219 )偶翻物理與工程 雜志 2010年第 6 期 ,發(fā)現(xiàn)一篇文章 ,題目為“試論一種新的能量觀 ”以下統(tǒng) 稱新 文. 該文作者們建議使用“能量載體 ”的概念來代替“能量形式 ”. 立論新穎 . 但我多處看不明 白 . 不揣冒昧 ,寫一篇讀后感如下 ,敬請(qǐng)指正 .能量具有不同的形式 ,現(xiàn)今在物理學(xué)界 ,包括 大師 、教師 、學(xué)生 ,已成公認(rèn)的定論 . 例如 ,趙凱華 、羅蔚茵的物 理學(xué) 教 材力 學(xué) (二 ) 2. 2 段 就 寫著“能量是物 理學(xué) 一 個(gè)極 為 普

2、遍 、極 為 重 要 的 物 理 量 ,它具有 機(jī) 械 能 、熱 能 、電 磁 能 、核 能 等 多 種 形式 . 雖然我們不能給能量下一個(gè)普遍的定義 ,但這絕不意味著它是一個(gè)可以隨意延拓的含糊概念 ”. 在新 文所列的參考文獻(xiàn) 2 那本著名教材的后 續(xù)改版 fundam en ta ls of physic s6 th ed ( 2001 ) 的7 21 節(jié) 就 寫 有“ ene rgy is a sca la r quan tity tha t is a ssoc ia ted w ith a sta te ( o r cond ition) of one o r mo reob jec

3、ts. a nd it com e s in a grea t m any fo rm e s ( o r typ e s) . in fac t, the te rm ene rgy is so b road tha t a c lea r defin ition fo r it is d ifficu lt to w rite and th isdefin ition is too vague to be of he lp to u s”.關(guān)于能量和能量形式的說法或概念和理論 , 從 1686年萊布尼茲提出“活力 ”即今“動(dòng)能 ”的概 念以來 ,普遍的能量和能量形式的概念已經(jīng)建立 、發(fā)展

4、、興盛“統(tǒng)治 ”了物理學(xué)三百余年 ,“對(duì)改進(jìn)物理教學(xué)和推動(dòng)物理學(xué)自身的發(fā)展 ”曾起過并正在 起著非常重要的積極作用 ,在現(xiàn)今的物理教材中它們都有正確的明明白白的闡釋 . 但今天的“新能量觀 ”者們?cè)谛?文中說 : “在仔細(xì)地分析了一下 之后 ,不難地發(fā)現(xiàn)了 ,用能量形式 ( ene rgy fo rm )的學(xué) , 而使用“能量載體 ”這一“科學(xué)含義精確 、表述通俗易懂 ”的 概念 來代 替 這 一 概 念 . 這 是 什 么 邏 輯 ? 合乎科學(xué)道理嗎 ?下面讓我們來看“有利于反映能量的本質(zhì)的 概念能量載體 ”是什么意 思. 作者 們 的回 答是“隨能量一起流動(dòng)的物質(zhì)型物理量 ”. 那么 ,什

5、么又是“物質(zhì)型物理量 ”呢 ? 新 文第二節(jié)說是為了 反映物理廣延量如質(zhì)量 、動(dòng)量 、物質(zhì)的量 、電荷量 和熵 等 的 共 同 特 點(diǎn) 而 采 用 的 一 種 物 質(zhì) 模 型( sub stance mode l) , 即 把 這 些 量 想 象 成 一 種“物質(zhì) ”并起名為物質(zhì)型物理量 ( sub rtance2 quan tity) .還明確指出 ,這里所說的物質(zhì)嚴(yán)格意義上應(yīng)該是 指連續(xù)介質(zhì) ,即一種不考慮物質(zhì)分子之間實(shí)際存在的空隙而連續(xù)分布在空間的假想物質(zhì) . 看了這 一段 ,大家一定會(huì)達(dá)成以下共識(shí) : 即所謂“物質(zhì)型 物理量 ”是把廣延量想象成一種假想物質(zhì)而給它起的名字. 這也就是說

6、,新 文所定義的“能量載體 ”“概念 ”并不代表任何自然界客觀實(shí)質(zhì) ! 這一 定義使我即時(shí)想起了曾在先能量時(shí)代 18 世紀(jì)流 行而后來被 正 確 地 用“能 量 ”概 念 取 代 了 的“熱 質(zhì) ”“概念 ”. 上述定義的“能量載體 ”和“熱質(zhì) ”“概念 ”何其相似啊 ! 不過 , 上列質(zhì)量 、電荷和熵等詞都已經(jīng)有確切的物理含義 ,再把它們拉來作為假 想物質(zhì)重新命名怕未必合適.接著 ,新 文討論了物理量的守恒問題 ,討論 強(qiáng)度量的守恒問題當(dāng)然是不正確的. 對(duì)于物質(zhì)型 物理量 , 文 中 說 ,“有 些 (如 電 荷 量 ) 始 終 是 守 恒的 . 然而 ,另一些物質(zhì)型物理量 , 其守恒是有條

7、件的 . 比如物質(zhì)的量 ( amoun tof sub stance ) ,只有在不 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下才是守恒的 . (但是 ,又該在形式 ”. 這 幾 句 話 似 乎 在 支 持“舊 能 量 觀“. 例著名的物理教科書里 ”能量形式這個(gè)概念本身的如 ,一個(gè)自由落體系統(tǒng) (包括地球 m 和落體 m ) ,其能量就可寫成 m v2 / 2 + m gh, 前者為動(dòng)能 , 后者 為勢(shì)能 ,明明白白 . 但新 文緊接著說 ,“可惜 ,許多物理系統(tǒng)不允許做這樣的能量分解. 事實(shí)上 ,任 何能量轉(zhuǎn)換裝置 (剛才講的是“物理系統(tǒng) ”) 的能量函數(shù)一般都是不可分解的. 各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)將熱量 t ds 轉(zhuǎn)

8、換為功 - pdv , 他們的能量函數(shù)中的自 變量 (剛才講的是“能量函數(shù) ”) s 和 v 都不能夠做這種分解. ”這幾句話似乎是否定“舊能量觀“的.但上面已說過 ,把熱量和功戴上“能量 ”的帽子 ,是 一項(xiàng)概念錯(cuò)誤呀 ! 文章怎么這樣難懂呢 ?再來看下面說些什么. 在肯定了上述分類法“更加簡(jiǎn)便 ”之后 ,又說 ,“我們并不贊成把由此而區(qū) 分開來的各種能量流 (而不是能量 ! ) 稱為不同的能量形式 ”(這不是否定了前面自己提出的分類法了嗎 ?! ). 為了說明“能量具有不同形式 ”這一說 法究竟錯(cuò)在哪里 ,新 文以電荷為例提出不能根據(jù) 載體將電荷冠以不同的名稱如電子電荷 、質(zhì)子電 荷 、氯

9、離子電荷等. 這樣容易使人誤認(rèn)為這些不同 的名稱表示著不同的物理量 . 而事實(shí)上它們都僅 僅涉及一個(gè)相同的物理量 電荷. 所不同的只 是電荷的載體而非電荷本身. (不過也不能太絕對(duì) 了 ,因?yàn)橘|(zhì)子電荷和電子電荷終究還是正負(fù)不相 同的 兩 種 電 荷 ! 可 參 看 pu rce ll, b erkeley physics,e lectricity and m agnetism , 2nd ed ( 1985) , sec. 1. 1 , p3. )因此這樣的名稱就是錯(cuò)誤的 ,不應(yīng)該用 . (現(xiàn)在物理含義就“相當(dāng)模糊 ,接近于日常生活用語 ”之后 ,討論起“將能量區(qū)分為各種能量流的方法 ”來 了

10、 . 在未給出任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)的情況下 ,說“經(jīng)驗(yàn) (作為介紹新觀念的文章 ,應(yīng)該先告訴大家這些經(jīng)驗(yàn) 是什么 ,來自什么試驗(yàn)或活動(dòng) ) 告訴我們 ,能量從 不單獨(dú)流動(dòng) ,它總是與至少一個(gè)其他物質(zhì)型物理量相隨著 一 起 流 動(dòng) ”. “這 其 實(shí) 是 一 條 自 然 規(guī) 律( ? ) . 并 且 以 大 師 gibb s冠 名 寫 出 了 一 個(gè) 數(shù) 學(xué) 公 式 . 為解釋這個(gè)公式 ,舉的例子有 : 能量流與電荷流同時(shí) 流 經(jīng) 導(dǎo) 線 而 進(jìn) 入 電 爐 ; 能 量 與 物 質(zhì) 的 量 (“燃油和氧氣 ”, (這兩樣化學(xué)物質(zhì)也是“物質(zhì)型 物理量 ”嗎 ? )一起流入汽車發(fā)動(dòng)機(jī) ;能量與熵相伴 同時(shí)流

11、過房屋的墻壁 ,等等 . 在這種情況下 , 人們 (是指作者們吧 )通常根據(jù)與能量一起流動(dòng)的 (這 里是否有意去掉了“物質(zhì)型 ”三 字 ? ) 物理 量 來談?wù)撃芰坎扇∵@樣或 那樣 的“形 式 ”進(jìn) 行傳 輸 或轉(zhuǎn) 換 . 在上面的例子中 ,人們 (還是指作者們吧 ? ) 分別把這些不同形式的能量稱作為電能 、化學(xué)能和熱 . 這就是新 文建議的新的能量分類方法和能 量觀 : 根據(jù)與能量一起流動(dòng)的其他物理量來命名能量的“形式 ”. 繞了這么大彎子 ,引入了個(gè)被定義為“物質(zhì)型物理量 ”的假想連續(xù)介質(zhì) , 并根 據(jù)“經(jīng) 驗(yàn) ”拉大師 gibb s寫了“一條自然定律 ”的公式 ,才得出了這樣一個(gè)方法和

12、觀點(diǎn). 我看了幾遍并反復(fù)思考體會(huì) ,最后發(fā)現(xiàn)這一命名法實(shí)質(zhì)上不過是本 文開頭介紹的現(xiàn)在大家正用的以載體命名的方法的“盜版 ”,除了能量載體的意義不同和只用于能“能量 ”定名的客觀實(shí)在. 能量 ( ene rgy) 雖然至今還沒有清晰的定義 ( c lea r defin ition)但科學(xué)家們發(fā) 現(xiàn) ,能量總是和實(shí)際的物體或物質(zhì)同時(shí)同地出現(xiàn) , 而且和特定物體或物質(zhì)相聯(lián)系的能量的大小或多 少可以用標(biāo)志該物體或物質(zhì) (不管運(yùn)動(dòng)與否 )的狀 態(tài)特征的物理量構(gòu)成的公式計(jì)算出來. 例如 m v2 /語來替代它比較好呢 ? 作者們回答說 : 回顧一下前面關(guān)于電荷的討論 ,就立即呈現(xiàn)在我們面前 ,那 就是

13、使用“能量載體 ( ene rgy ca rrie r) 來取而代之. 我們可以說 ,隨同能量一起流動(dòng)的那個(gè)物質(zhì)型物 理量“運(yùn) 載 著 能 量 流 動(dòng) , 它 是 一 種“能 量 載 體 ”. “為了論證“能量載體 ”的“概念 ”的合理性 , 作者 們又一次提出了那個(gè)普適命題 : “當(dāng)某種東西只 是更換其載體而它自身并沒有發(fā)生變化時(shí) , 談?wù)?這種東西的形式顯然是不合理的 . ”并以煤的遠(yuǎn)程 運(yùn)輸為例佐證此命題的正確. 可是 ,為什么不能根 據(jù)例如 ,井 、河道 、形成湖 、海的地形構(gòu)造等把這些 不同“載體 ”所載的“自身并沒有變化的 ”水以井 水 、河水 、湖水 、海水這樣的稱呼來區(qū)別它們并

14、說 是“形式 ”不同呢 ? 這也“顯然 ”不合理 、并容易使 你們發(fā)生對(duì)水的認(rèn)識(shí)的“誤導(dǎo) ”而應(yīng)該被廢棄嗎 ? 普通老百姓能贊同這種觀點(diǎn)嗎 ? 生活用語也自有 真理在 !“新 ”文在定義了“能量轉(zhuǎn)載體 ”(就是我們常 說的換能器 )之后 . 說道 ,“在日常生活和技術(shù)環(huán)境中 ,到處都充滿著能量轉(zhuǎn)載體的例子 . 比如 , 在電 燈泡里 ,能量從 (這里作者們省略了冠詞“能量 ” 二字 , 下 面 幾 例 同 此 ) 載 體“電 荷 ”轉(zhuǎn) 載 到 載 體 “光 ”上 ;在電動(dòng)機(jī)里 , 能量從載體“電荷 ”轉(zhuǎn)載到 載體“角動(dòng)量 ”上 ; 在發(fā)電站里 ,能量從載體“物質(zhì) 的量 ”轉(zhuǎn)載到載體“電荷 ”上

15、 ; 在熱機(jī)里 ,能量從載體“熵 ”轉(zhuǎn)載到載體“角動(dòng)量 ”上 ”. 這些能量轉(zhuǎn)換 的事實(shí) ,用“舊能量觀 ”表述 ,是 : 在電燈泡里電能 轉(zhuǎn)化為光能 ; 在電動(dòng)機(jī)里 ,電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 ; 在發(fā) 電站里 ,熱能轉(zhuǎn)化為電能 ; 兩相比較 , 哪種描述更 簡(jiǎn)潔明確 ,清晰易懂 ? 至于哪種描述的科學(xué)含義 更精確 ? 我的意見 是 : 我們 所討 論 的問 題 , 用傳統(tǒng)的 或 舊 能 量 觀 的 語 言 , 根 本 上 是 自 1686 年 以 來 ,科學(xué)家們包括萊布尼茲 、倫福特伯爵 、焦耳 、愛 因斯坦等 ,發(fā)現(xiàn)自然界普遍存在著一種以物理量22, m gh, n ir t / 2,0 e /2

16、 , . . . 等計(jì)算出來 . 物體或物質(zhì) 和能 量的 這 種聯(lián) 系使 得 前者 可稱 為 后者 的載 體 . (請(qǐng) 注 意 這 里 的 載 體 和新 文 中 的“能 量 載 體 ”概念完全不同 ! )于是引入了“能量形式 ”的概 念來表明能量可以有不同的載體 ,并啟用了具體 的名 稱 如 動(dòng) 能 、重 力 勢(shì) 能 、熱 能 、電 (場(chǎng) ) 能 、磁 (場(chǎng) )能 、光能 、核能等名稱 . 要注意的是 ,各種物理教材中一再?gòu)?qiáng)調(diào)根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn) , 包括論福特的鏜 炮筒活計(jì) ,各式焦耳實(shí)驗(yàn) ,證明 , 各種形式的能量 是可以按十分確定的當(dāng)量 ,如熱功當(dāng)量 ,相互轉(zhuǎn)換 的 . 因此它們就是同一種客觀實(shí)在 ! 這是不允許 讀者們有任何誤解的 . 由此可知 ,大家都理解的經(jīng) 典能量觀是面對(duì)客觀實(shí)在 ,言之有客觀事物 ,實(shí)驗(yàn)證據(jù)確鑿 , 說 明 簡(jiǎn) 潔 , 清 晰 易 懂. 對(duì) 論 述“能 量 載 體 ”的新 文 ,我認(rèn)為只討論概念 ,言不及實(shí)際客 觀 (只言“想象 ”和“假想 ”) ,沒有實(shí)驗(yàn)根據(jù) ,多用 舉例類比論證 ,用詞含糊 , 邏輯混亂 ,行文艱澀難 懂 . 只 需 根 據(jù) “ exp e ri2m en t is the sole judge of sc ien tifictru th(見 fynm an l ctu res on p hysics, v