能量守恒与转化定律在物理学中的地位

侯桂兰

我们知道：任何物质离不开运动，如机械运动，分子热运动，化学运动，原子核和基本粒子运动，电磁运动等，而各种运动形式是能够相互转化的，而且在转化时存在着一定的数量关系，一定量的某种运动形式的产生，总是以一定量的另一种运动形式的消失为代价，消耗某种运动的量越多，转化为别的运动的量值也越大。要深入研究这种运动形式相互转化中存在的数量关系，就有必要对这种运动的量作出定量的表示，对运动所能作的最一般的量度就是能量。能量是一个状态物理量，相应于不同形式的物质的运动，能量有机械能（包括动能、重力势能、 弹性势能、声能），物质能（包括分子内能、化学能、原子核能）、电磁能（包括电能、磁能、辐射能）等等。当物质的运动形式发生转变时，能量形式同时发生转变。各种运动形式的相互转化的过程可以看作是各种形式的能量相互转化的过程。各种不同形式的能量的转化，在自然界中是每时每刻在进行着，尽管各种不同形式的能量之间进行着转换，但是对于一个不受外界影响的物体系它所具有的各种不同形式的能量的总和是守恒的，能量只能从一个物体传递给另外的物体，或从一种形式转化为另一种形式，即不能创生，也不能消灭，这就是能量守恒和转化定律。

1、能量守恒与转化定律的建立促进了物理学的发展

能量守恒与转化定律，是物理学中具有普遍意义的定律之一，也是各种自然现象都遵循的普遍规律，它反映了各种形式的物理运动（还包括化学运动和生物运动）之间的内在联系和量的关系。它适用于任何变化过程，不论是机械、热、电磁、原子和原子核内，以及生物、化学等等。能量转化与守恒定律对于分析和研究各种实际变化过程具有重大的指导意义。

从16世纪到18世纪，经过伽利略、牛顿、惠更斯、莱布尼兹及伯努利等物理学家的认真研究，使力学得到了较大的发展，机械能的转化和守恒的初步思想在这一时刻已经萌芽。沦德福、戴维的摩擦生热实验否定了“热质说”，把物体的内能与机械运动联系起来。伏打电堆发明后紧接着发现了电解现象，意味着电转化为化学亲和力，相反电池则被看作使化学亲和力向电转化的装置。之后又发现了电流的磁效应、热电效应、珀 尔 贴效应（电流转变为热）、电磁感应现象以及光的化学作用在照相术上的实际应用等。历史上还曾有许多人企图发明一种永动机，它不消耗能量而能不断地对外做功，或者消耗少量能量而做大量的功。但是所有创造这类永动机的尝试都以失败而告终，因为他们的设想违反了能量转化与守恒定律。

2、能量守恒与转化定律在力学中的地位

机械能守恒定律是力学中很重要的规律，该定律只是能量守恒与转化定律的一个在一个范围内一定条件下的特例，在力学中应用较广泛。由于摩擦力等非保守力普遍存在，机械能精确守恒的情况是比较少见的。但在许多问题中，将摩擦力等非保守力的功忽略不计。对计算结果并不发生明显影响，因此，在这类情况下可应用机械能守恒定律。下面是一些应用机械能守恒定律的典型例子，包括宇宙速度问题。一般抛射体（包括炸弹）将沿抛物线回到地面，当速度达到一定程度即第一宇宙速度V1时，物体将成为一颗人造地球卫星。如果抛射的速度继续增大到第二宇宙速度V2，物体还会摆脱地球的引力而成为太阳系内的一颗人造行星。最后，如果抛射的速度继续增大到第三宇宙速度V3，物体甚至能摆脱太阳的引力，到其他恒星世界去旅行。人造地球卫星、人造行星和恒星际宇宙飞船是探索宇宙秘密的三个阶梯，关键在于获得对应的第一、第二和第三宇宙速度。宇宙速度实际上反映了宇宙航行对于发射动力的要求。第一宇宙速度V1即环绕地球表面作匀速圆周运动的速度。用R地表示地球半径，m表示运动物体的质量，根据牛顿第二定律，

第二、第三宇宙速度的计算，应用了机械能守恒定律。忽略了其他次要因素。

3、能量守恒与转化定律在电学中的地位及在生产技术中的贡献

能量守恒与转化定律在电磁学中应用也十分广泛，主要以电能来阐述的，电过程是自然界的基本过程。随着电磁学的日臻完善也促进了电技术的发展，从而使能量转化和守恒在电磁学中有着很重要的地位，它使电技术具有便于实现电与其他运动形式之间的转化，转化效能高、传递迅速、准确、便于控制等优点。因此能量转化和守恒实现了电技术在能源的合理开发，输送和使用方面的作用，使人类可更广泛，更有效，更方便地利用一切可利用的能源，实现机电控制和自动化，在信息的传递以及利用各种电效应实现非电量的电测方面也具有重要意义，此外，在电子计算机的性能改进和广泛使用方面，也起着重要作用。迄今，无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都离不开电能，例如，“电容焊”把已充电的电容器两极板用导线短路而放电，利用放电火化的热能可以熔焊金属，那么放电火花的热能据能量转化和守恒知，是由放了电的电容器中存储的电能转化而来。1901年马可尼第一次建立横跨大西洋的无线电联系后，当你打开收音机的时候，由电磁波带来的能量就从天线输入，经过电子线路的作用转化为喇叭发出的声能。场和电荷相互作用时，能量在场和电荷之间转移，如在接收电磁波的过程中，电磁场作用于接收天线的自由电荷上，引起天线上的电流，电磁波的一部分能量转化为接收系统上的电磁能量。因此，场和电荷之间，场的一区域与另一区域之间，都可能发生能量转移，在转移过程中总能量是守恒的，所有这些更加显示出能量转化和守恒在电学中的地位。

4、能量守恒与转化定律在热学及其他领域中的地位

能量守恒与转化定律在热学中，有很重要的地位。1842年在波根道夫《物理学年鉴》发表了《论无机自然界的力》，就在此中最早提出了能的转化和守恒的观点，从定压比热和定容比热的差中算出了热功当量的值。英国物理学家焦耳一生致力于实验研究，通过对电流产生热的研究，确立了电流和热具有等同性，从实验上确定了现在的焦耳定律。焦耳以电流为媒介，将化学作用、热、电三者统一起来进行研究，这样就敲开了能量守恒与转化定律的大门。

原子物理学中人们利用能的守恒与转化定律来研究自然规律取得了许多重大成就，例如在近代物理学的研究中，1993年意大利科学家费米利用能的转化与守恒定律发现了中微子，中微子的发现又是能量守恒定律应用的例证。这一发现推动了整个生产技术的发展。

所以，能量守恒与转化定律贯穿于物理学的全部，有着及其重要的地位，除了力学、热学、电磁学、原子物理学以外，物理学的各个部分也都可以用能量守恒与转化定律来论证、分析、计算、检验。当然，有些问题由于题设条件的关系只能用物理学其它规律求解，但是应该坚信：现象如果涉及能量转化，一定遵循能量守恒与转化定律。