能量守恒認(rèn)識過程

1、 能量是物質(zhì)運動的一種量度，是人們認(rèn)識客觀世界的主要對象之一。19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律表明能量是個守恒量，它可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量守恒定律深刻地揭示了各種形式能量的相互聯(lián)系和自然界的統(tǒng)一性，被恩格斯稱為偉大的運動基本定律，19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)以及能量概念的形成經(jīng)歷了漫長的歷史過程，它是人類在生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上對自然界的運動轉(zhuǎn)化長期認(rèn)識的結(jié)果。從研究機械能守恒到得出廣義的能量守恒定律其間經(jīng)歷了大約一百五十年的孕育時期。(一)“活力”守恒的發(fā)現(xiàn)從歷史上考察，能量原理是從力學(xué)留傳下來的。意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo，15641642)在

2、1638年出版的關(guān)于力學(xué)和局部運動兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明(簡稱兩門新科學(xué))中，討論了自由落體運動和物體沿斜面的運動，提出了這樣的假設(shè)：靜止的物體不論是沿豎直方向自由下落還是沿不同傾斜度的斜面從同一高度下落，它們到達(dá)末端時具有相同的速度，這就是“等末速度假設(shè)”。伽利略利用一個簡單的實驗檢驗了這個假設(shè)。擺球沿圓弧運動可看作是沿著一系列不同傾斜度的斜面的下落和上升運動。實驗表明：使單擺由一側(cè)開始擺動，當(dāng)它經(jīng)過最低點而到另一側(cè)時，會升到幾乎相同的高度，如果擺線中途為釘子E或F等所阻，則擺球?qū)⒀匦碌幕【€上升，但仍達(dá)到相同的高度。這說明沿不同傾斜度的斜面對于下落速度沒有任何影響。物體下降時所得的速度正

3、好等于能夠把它送到原來高度的那個速度，一個物體下降的速度只決定于下降的豎直高度而與下降時實際經(jīng)過的路程的形狀無關(guān)。伽利略的這個假設(shè)為后來揭示重力場的保守性，即在重力場作用下物體的機械能守恒開了先河。1801年，英國物理學(xué)家托馬斯揚(ThomasYoung,17731829)在英國皇家學(xué)院的一次演講中，提出用“能”這個詞代替活力。他說：“用能這個詞來表示物體的質(zhì)量與速度平方之積是很妥當(dāng)?shù)??！?但“能”這個詞并沒有被當(dāng)時科學(xué)界所接受。1829年，科里奧利(Coriolis)雖然用1/2mv2來代替mv2，但仍用了活力這個詞，為了避免有無1/2的混亂，柏蘭吉爾建議把mv2叫做活力，而把1/2mv2叫

4、做“活動力”，這種不準(zhǔn)確的、具有雙重意義的“力”的詞一直繼續(xù)到19世紀(jì)中葉，直到能量守恒定律確立后，才明確建立了能量概念以及力學(xué)中的動能和勢能概念。(二)熱的運動說的發(fā)展在通向能量理論結(jié)構(gòu)的途程上，熱的運動說的實驗證明，對能量守恒定律的建立有密切的關(guān)系。熱是組成物體的粒子的運動這一學(xué)說，使得熱和機械功的等效性在概念上是可以理解的，并為機械功和熱的相互轉(zhuǎn)化提供了一個解釋的基礎(chǔ)。在對熱的本質(zhì)的認(rèn)識上，歷史上有熱質(zhì)說與熱的運動說之爭。古希臘哲學(xué)家亞里士多德(Aristotle,公元前384322年)提出宇宙是由土、水、氣、火四種元素組成，把火看作四元素之一。隨著古希臘原子論思想的復(fù)興，熱是某種特殊的

5、物質(zhì)實體的觀點也得到流傳。法國科學(xué)家和哲學(xué)家伽桑狄(Pierre Gassendi,15921655)認(rèn)為，運動著的原子是構(gòu)成萬物的原始的、不可再分的世界要素。同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的。它們非常細(xì)致，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中。這個觀念，把人們引向“熱質(zhì)說”。(三)各種運動形式相互轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)從18世紀(jì)末到19世紀(jì)前半期，包括物理學(xué)在內(nèi)的自然科學(xué)進(jìn)入到一個蓬勃發(fā)展的新時期。自然科學(xué)方面完成的一系列重大發(fā)現(xiàn)，日益揭示出各種運動形式之間的普遍聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，這成為這一時期自然科學(xué)發(fā)展的一個顯著特點。各種自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)，使人們逐漸形成能量概

6、念，認(rèn)識到各種運動形式是同一種能量的不同表現(xiàn)形式。能量概念給物理科學(xué)提供了一種新的統(tǒng)一的框架。能量守恒定律就是在對力、熱、光、電、化學(xué)各種運動形式相互聯(lián)系認(rèn)識的基礎(chǔ)上建立起來的。法拉第對自然界“力”的守恒性和統(tǒng)一性具有堅強的信念。他始終不渝地為證實各種現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系而努力。他在關(guān)于偏振面的磁致偏轉(zhuǎn)一文的開始就明確提出：“我早已持有一種見解，它幾乎到達(dá)深信不疑的程度，而且我想這也是其他許多自然科學(xué)的追求者所持有的見解，即物質(zhì)之力所表現(xiàn)出來的各種形式具有共同的起源，換言之，它們彼此是如此之互相依賴，以致于它們能夠相互轉(zhuǎn)化并具有力的當(dāng)量。”他舉出了電磁感應(yīng)、電流的磁效應(yīng)，電流的化學(xué)效應(yīng)、電池的化

7、學(xué)論思想，電化當(dāng)量等為自己的觀點提供例證。此外，他還考察過由不同的來源產(chǎn)生的各種形式的電的同一性。法拉第所作的每一個新發(fā)現(xiàn)，都使他堅信自然界不同運動形式之間有著無限多樣的聯(lián)系的觀點的正確性。法拉第指出，在當(dāng)時的認(rèn)識水平上，要想弄清電磁效應(yīng)、引力效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)等這些過程的具體機制，是不可能的，但是無論如何他都堅信這種多種現(xiàn)象的統(tǒng)一性，堅信世界的物理圖景的統(tǒng)一性。他還考慮過在引力和電力之間的可能聯(lián)系。他寫道：“有一個古老而不可改變的信念，即自然界的一切力都彼此有關(guān)，有共同的起源，或者是同一基本力的不同表現(xiàn)形式。這種信念常常使我想到在實驗上證明重力和電力之間的聯(lián)系的可能性?！?四)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)

8、1邁耶的貢獻(xiàn)羅伯特邁耶(Robert,Mayer,18141878)是一位德國醫(yī)生。他從事能量守恒和轉(zhuǎn)化問題的研究是從對生理現(xiàn)象的分析開始的。1840年他作為一名醫(yī)生，在一次乘海船赴印度尼西亞爪哇的航行中，在赤道附近給船員作放血治療時，他發(fā)現(xiàn)水手靜脈流出的血好象動脈血一樣鮮紅，以致誤認(rèn)為切錯了血管。隨后，證明流出的血確實是靜脈血。但回到歐洲后發(fā)現(xiàn)靜脈血又變成暗紅色。由此邁耶根據(jù)燃燒學(xué)說為基礎(chǔ)的動物熱理論，想到這些現(xiàn)象可能是由于人體與環(huán)境之間的溫度差不同的原故。熱帶環(huán)境溫度高，維持體溫所消耗的動脈血中的氧較少，靜脈血管中紅色球還帶有大量剩余的氧成分所以靜脈血要紅些。他把有機體的這種化學(xué)過程和無機

9、的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，從而產(chǎn)生了熱和機械運動有一定當(dāng)量關(guān)系的思想。邁耶作出如下推論：如果熱是由兩個表面相互摩擦這樣的運動產(chǎn)生的，則熱必定與運動等價。邁耶指出：“如果落體力和運動力等價于熱，那么熱自然要等價于落體力和運動力。正如熱作為體積減小和運動停止的一種效應(yīng)而產(chǎn)生那樣，熱作為它的效應(yīng)運動、體積膨脹、重物升高的一種原因而消失?！边~耶根據(jù)“原因等于結(jié)果”的原理推得以上的命題。他又提出“相當(dāng)于動能或勢能的熱量究竟是多大”的問題。第一次提出了熱功當(dāng)量的概念。他并根據(jù)落體的勢能全部轉(zhuǎn)化為熱作了初步估計：“重物從大約365米的高度下落(所產(chǎn)生的效應(yīng))對應(yīng)給相同質(zhì)量的水從0到1所加的熱。”2焦耳的貢獻(xiàn)焦耳(

10、JamesPrescottJoule,18181889)關(guān)于熱功當(dāng)量的測定是確定能量守恒定律的實驗基礎(chǔ)。1840年至1841年間，他測量了電流通過電阻放出的熱量，總結(jié)出了論伏打電所生的熱等兩篇論文。他發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體在一定時間內(nèi)放出的熱量同電路的電阻以及電流強度平方之積成正比這就是焦耳定律。但是焦耳明白，這個實驗不能對熱的來源作出判斷。焦耳的工作一開始也沒有得到人們的重視。1844年英國皇家學(xué)會拒絕他宣讀論文。1847年英國科學(xué)促進(jìn)會只讓他報告實驗提要，本來對他的發(fā)言不準(zhǔn)備討論的，但湯姆孫(W.Thomson)卻提出了問題，指出焦耳的研究結(jié)果是同法國工程師們所建立的熱機理論相矛盾的，因為后者是以熱質(zhì)說

11、為出發(fā)點的。這個提問引起了聽眾對新理論的強烈興趣，從而使焦耳的論文受到了科學(xué)界的注意。亥姆霍茲反對“生命力”的說法，主張生物的一切活力都來源于化學(xué)力或食物的燃燒。永動機之不可能實現(xiàn)的事實，成為他探索支配自然界的各種運動的普遍規(guī)律的出發(fā)點。1847年7月23日亥姆霍茲在柏林物理學(xué)會上宣讀了論文論力的守恒。他論述了他的能量守恒與轉(zhuǎn)化方面的基本思想。他提出自然科學(xué)的基本任務(wù)“就在于把一切自然現(xiàn)象歸結(jié)為其大小依賴于距離的、不變的引力和斥力。”他把力的方向沿著質(zhì)點連線而力的大小只決定于距離的力稱為中心力，把中心力看作機械運動的最后的原因。3亥姆霍茲的貢獻(xiàn)海爾曼亥姆霍茲(Hermann Helmholtz

12、,18211894)被勞厄稱為是一位“能夠充分發(fā)展能量守恒定律的普遍意義的具有全面才能的人?！彼轻t(yī)生出身，后來成為生理學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。(五)能量守恒定律的確立和正確表述在能量守恒定律已經(jīng)建立起來后，人們還是用“力的守恒”定律來表述它，用具有雙重意義的詞“力”來表示能量。1851年，湯姆孫等人大力提倡用清晰的能量概念來代替含混不清的“力”的概念，這才逐漸把能量和“力”兩個概念區(qū)別開來。1853年湯姆孫給能量概念作了一個精確的定義：我們把給定狀態(tài)中的物質(zhì)系統(tǒng)的能量表示為：當(dāng)它從這個給定狀態(tài)無論以什么方式過渡到任意一個固定的零態(tài)時，在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的用機械功單位來量度的各種作用的總和1853年格拉斯哥的力學(xué)教授蘭金(Rankine,18201872)先把“力”的守恒表述為能量守恒。他指出能量概念是從確立“在宇宙中所有不同種類的物理能是相互轉(zhuǎn)換的”這個定律中得出的。能量是一個守恒量。而力的概念是由牛頓運動定律所定義的，力不是守恒量，對于萬有引力來說，力是與距離有關(guān)的一個物理量。他強調(diào)能量概念的普遍性和統(tǒng)一作用，他提出了用機械能、熱能、光能、電能、磁能等名稱來