能量守恒的認(rèn)識(shí)過(guò)程

1、 能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度，是人們認(rèn)識(shí)客觀世 界的主要對(duì)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(gè)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(chēng)為偉大的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的歷史過(guò)程，它是人類(lèi)在生 產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)自然界的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化 長(zhǎng)期認(rèn)識(shí)的結(jié)果。從研究機(jī)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(shí)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(lái)的。 意大利物理學(xué)家伽利略(Gali

2、leo，15641642) 在1638年出版的關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)兩門(mén)新 科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明(簡(jiǎn)稱(chēng)兩門(mén)新科 學(xué))中，討論了自由落體運(yùn)動(dòng)和物體沿斜面 的運(yùn)動(dòng)，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(shí)具有相同 的速度，這就是“等末速度假設(shè)”。伽利略利 用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)假設(shè)。 擺球沿圓弧運(yùn)動(dòng)可看作是沿著一系列不同傾斜度的斜面的下 落和上升運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明：使單擺由一側(cè)開(kāi)始擺動(dòng)，當(dāng)它經(jīng) 過(guò)最低點(diǎn)而到另一側(cè)時(shí)，會(huì)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(shuō)明沿不同傾斜度

3、的斜面對(duì)于下落速度沒(méi) 有任何影響。物體下降時(shí)所得的速度正好等于能夠把它送到 原來(lái)高度的那個(gè)速度，一個(gè)物體下降的速度只決定于下降的 豎直高度而與下降時(shí)實(shí)際經(jīng)過(guò)的路程的形狀無(wú)關(guān)。伽利略的 這個(gè)假設(shè)為后來(lái)揭示重力場(chǎng)的保守性，即在重力場(chǎng)作用下物 體的機(jī)械能守恒開(kāi)了先河。 1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯揚(yáng) (ThomasYoung,17731829)在英國(guó)皇家學(xué)院的一 次演講中，提出用“能”這個(gè)詞代替活力。他說(shuō)： “用能這個(gè)詞來(lái)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(gè)詞并沒(méi)有被 當(dāng)時(shí)科學(xué)界所接受。1829年，科里奧利(Coriolis) 雖然用1/2mv2來(lái)代替mv2，但仍用了活力這個(gè)

4、詞， 為了避免有無(wú)1/2的混亂，柏蘭吉爾建議把mv2叫 做活力，而把1/2mv2叫做“活動(dòng)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(dòng)能和勢(shì)能概念。 (二)熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)的發(fā)展 在通向能量理論結(jié)構(gòu)的途程上，熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證明， 對(duì)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(yùn)動(dòng)這一學(xué)說(shuō)，使得熱和機(jī)械功的等效性在概念上是 可以理解的，并為機(jī)械功和熱的相互轉(zhuǎn)化提供了一個(gè)解釋 的基礎(chǔ)。在對(duì)熱的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)上，歷史上有熱質(zhì)說(shuō)與熱的 運(yùn)動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)。古希臘哲學(xué)家亞里士多德(Aristotle,公元前 384322年

5、)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 是某種特殊的物質(zhì)實(shí)體的觀點(diǎn)也得到流傳。法國(guó)科學(xué)家和 哲學(xué)家伽桑狄(Pierre Gassendi,15921655)認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)著 的原子是構(gòu)成萬(wàn)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?；顫?，因而能滲透到一 切物體之中。這個(gè)觀念，把人們引向“熱質(zhì)說(shuō)”。 (三)各種運(yùn)動(dòng)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(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)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(yùn)

6、動(dòng)形式之間的普遍 聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，這成為這一時(shí)期自然科學(xué)發(fā)展的一個(gè)顯著 特點(diǎn)。 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 成能量概念，認(rèn)識(shí)到各種運(yùn)動(dòng)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(duì)力、熱、光、電、化學(xué)各 種運(yùn)動(dòng)形式相互聯(lián)系認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。 法拉第對(duì)自然界“力”的守恒性和統(tǒng)一性具有堅(jiān)強(qiáng)的信念。他始 終不渝地為證實(shí)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(kāi)始就明確提出：“我早已持有一種見(jiàn)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(jiàn)解，即物質(zhì)之力所表現(xiàn)出來(lái)的各種

7、形式具有 共同的起源，換言之，它們彼此是如此之互相依賴(lài)，以致于它們 能夠相互轉(zhuǎn)化并具有力的當(dāng)量?！彼e出了電磁感應(yīng)、電流的磁 效應(yīng)，電流的化學(xué)效應(yīng)、電池的化學(xué)論思想，電化當(dāng)量等為自己 的觀點(diǎn)提供例證。此外，他還考察過(guò)由不同的來(lái)源產(chǎn)生的各種形 式的電的同一性。法拉第所作的每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，都使他堅(jiān)信自然 界不同運(yùn)動(dòng)形式之間有著無(wú)限多樣的聯(lián)系的觀點(diǎn)的正確性。法拉 第指出，在當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)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(guò)程的具體機(jī)制，是不可能的，但是無(wú)論如何他 都堅(jiān)信這種多種現(xiàn)象的統(tǒng)一性，堅(jiān)信世界的物理圖景的統(tǒng)一性。 他還考慮過(guò)在引力和電力之間的可能聯(lián)系。他寫(xiě)道：“有一個(gè)古 老而不可改

8、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(shí)驗(yàn)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) 1邁耶的貢獻(xiàn) 羅伯特邁耶(Robert,Mayer,18141878)是一位德國(guó)醫(yī)生。 他從事能量守恒和轉(zhuǎn)化問(wèn)題的研究是從對(duì)生理現(xiàn)象的分析 開(kāi)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(shí)，他 發(fā)現(xiàn)水手靜脈流出的血好象動(dòng)脈血一樣鮮紅，以致誤認(rèn)為 切錯(cuò)了血管。隨后，證明流出的血確實(shí)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(shuō) 為基礎(chǔ)的動(dòng)物熱理

9、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(dòng)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(jī)體的這種化 學(xué)過(guò)程和無(wú)機(jī)的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，從而產(chǎn)生了熱和機(jī)械 運(yùn)動(dòng)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(gè) 表面相互摩擦這樣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，則 熱必定與運(yùn)動(dòng)等價(jià)。邁耶指出：“如 果落體力和運(yùn)動(dòng)力等價(jià)于熱，那么熱 自然要等價(jià)于落體力和運(yùn)動(dòng)力。正如 熱作為體積減小和運(yùn)動(dòng)停止的一種效 應(yīng)而產(chǎn)生那樣，熱作為它的效應(yīng) 運(yùn)動(dòng)、體積膨脹、重物升高的一 種原因而消失。”邁耶根據(jù)“原因等 于結(jié)果”的原理推得以上的命題。

10、他 又提出“相當(dāng)于動(dòng)能或勢(shì)能的熱量究 竟是多大”的問(wèn)題。第一次提出了熱 功當(dāng)量的概念。他并根據(jù)落體的勢(shì)能 全部轉(zhuǎn)化為熱作了初步估計(jì)：“重物 從大約365米的高度下落(所產(chǎn)生的效 應(yīng))對(duì)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(JamesPrescottJoule,18181889)關(guān)于熱功當(dāng) 量的測(cè)定是確定能量守恒定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1840年 至1841年間，他測(cè)量了電流通過(guò)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(shí)間內(nèi)放出的熱量同電路的電阻以及 電流強(qiáng)度平方之積成正比這就是焦耳定律。但 是焦耳明白，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不能對(duì)熱的來(lái)源作出判斷。 焦耳的工作一

11、開(kāi)始也沒(méi)有得到人們的重視。1844年 英國(guó)皇家學(xué)會(huì)拒絕他宣讀論文。1847年英國(guó)科學(xué)促 進(jìn)會(huì)只讓他報(bào)告實(shí)驗(yàn)提要，本來(lái)對(duì)他的發(fā)言不準(zhǔn)備 討論的，但湯姆孫(W.Thomson)卻提出了問(wèn)題，指 出焦耳的研究結(jié)果是同法國(guó)工程師們所建立的熱機(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)提問(wèn)引起了聽(tīng)眾對(duì)新理論的強(qiáng)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(duì)“生命力”的說(shuō)法，主張生物的一切活力都來(lái) 源于化學(xué)力或食物的燃燒。永動(dòng)機(jī)之不可能實(shí)現(xiàn)的事實(shí)，成 為他探索支配自然界的各種運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律的出發(fā)點(diǎn)。 1847年7月23日亥姆霍茲在柏林物理學(xué)會(huì)上宣讀了論文論 力的守恒。他論述了他的能

12、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(lài)于距離的、不變的引力和斥力。”他把力的方向 沿著質(zhì)點(diǎn)連線而力的大小只決定于距離的力稱(chēng)為中心力，把 中心力看作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的最后的原因。 3亥姆霍茲的貢獻(xiàn) 海爾曼亥姆霍茲(Hermann Helmholtz,18211894)被勞厄 稱(chēng)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。”他是醫(yī)生出身，后來(lái)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(lái)后，人們還是 用“力的守恒”定律來(lái)表述它，用具有雙重 意義的詞“力”來(lái)表示能量。1851年，

13、湯姆 孫等人大力提倡用清晰的能量概念來(lái)代替含 混不清的“力”的概念，這才逐漸把能量和 “力”兩個(gè)概念區(qū)別開(kāi)來(lái)。1853年湯姆孫給 能量概念作了一個(gè)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(gè)給定狀態(tài)無(wú)論以什么方式過(guò)渡到 任意一個(gè)固定的零態(tài)時(shí)，在系統(tǒng)外所產(chǎn)生的 用機(jī)械功單位來(lái)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(lèi)的物理能是相互轉(zhuǎn)換的”這 個(gè)定律中得出的。能量是一個(gè)守恒量。而力的 概念是由牛頓運(yùn)動(dòng)定律所定義的，力不是守恒 量，對(duì)于萬(wàn)有引力來(lái)說(shuō)，力是與距離有關(guān)的一 個(gè)物理量。他強(qiáng)調(diào)能量概念的普遍性和統(tǒng)一作 用，他提出了用機(jī)械能、熱能、光能、電能、 磁能等名稱(chēng)來(lái)區(qū)別能量的