论牛顿力学的守恒问题

摘要：“牛顿力学”作为经典力学的主体，是以数学几何方法进行物体受力表示的力学定律，适用于普通状态下的物体受力分析。诸如汽车运动原理、飞机的飞行原理、人体的平衡都问题可以从“牛顿力学体系”中寻求答案。结合所学知识，探求牛顿力学本质，我们发现力的产生和变化永远与“能量守恒问题”相联系，或许可以这样认为；物体运动状态的产生是力和能量共同作用的结果，物体受力一定会产生能量。在这样的思路引导下，我们可以适从生活中的一些案例来探讨这些问题。

关键词：牛顿力学；能量守恒；物体运动；问题研究

一、力的作用与能量转化

每天骑自行车上学我们经常有这样的感受，在上坡的时候我们需要付出更多的力气才能让自行车保持运动并上到斜坡的最高点，当下坡的时候，我们即使不用脚去做功，自行车也会自动前行并保持加速运动状态。按照力学理论解释，自行车下坡主要受到了重力的影响，重力势能转化为动能，动能令自行车产生了动力，自行车可以保持匀加速运动状态。而上坡的时候，我们身体的运动给自行车向上的动力，但是上坡受到了重力的影响，当自行车所受动力大于自行车所受重力时，自行车才能保持向上运动状态，而动能在这一运动过程中转化为了重力势能。从这个生活事例我们可以看出，自行车的运动状态与自行车的受力大小有关，力的变化始终伴随着能量的变化，能量的大小始终保持着守恒状态，是人体做功产生机械能，机械能转化为动能，动能转化为重力势能，重力势能转化为动能的过程。

二、特殊状态中物体力和能量的变化

上述事例只是在日常状态下证明了物体受力变化与物体的能量变化，要是在特殊的状态下呢？例如，真空环境、高温高压环境、极度低温状态下，物体是否还能保持这样的运动变化？由于这些环境的创造所需设备和资源过于苛刻，只能在实验室条件下完成，所以我们只能通过假设的方法进行间接证明。假设真空环境下，没有空气阻力，有一个处在静止状态的小球，小球表面和小球所处平面绝对光滑，不考虑摩擦力影响。这时给小球施加一个力，让小球直线运动。在这种理论实验状态下，小球受到力的作用会改变原来的运动状态，且受到平面支撑力和重力的影响，小球会呈现出匀速直线运动，且一直维持下去。在运动状态中小球受到力的影响，一直维持着运动状态，而所受的力令小球产生动能，由于未受到空气阻力和摩擦力的影响，小球的动能不会发生转化，因此小球的运动状态不会发生改变。由此可见，在“牛顿力学”范畴下，力的产生和改变伴随着物体的能量变化，当处在绝对理想环境中，物体的能量无法发生转化，会让物体一直保持固定的运动状态。

三、能量守恒定律

结合所学物理知识，探究“牛顿力学”，我们发现在物理学视域中，能量既不能凭空被创造，也不能凭空产生，它是不同能量形式之间的转化。例如，汽车能够跑起来，那是由于汽车装备有内燃机，内燃机通过燃烧化石燃料进行做功，将化学能源转化为动能，令汽车运动起来，蒸汽机火车也是同样的原理。高空跳伞运动员从飞机上跳下来，是重力势能转化为动能的结果。我们可以这样试想，跳伞运动员从飞机上跳下来，受到重力的作用产生向下运动的趋势，当重力势能转化为动能时，跳伞运动员向下进行运动。由此可见，物体运动过程中势必伴随着能量的变化，而物体能量变化是不同能量形式之间相互转化的结果。

四、牛顿力学与能量守恒

如果探究“牛顿力学”中的守恒问题，在我看来准确的定义应该是探究物体力的变化和物体的能量守恒问题，力和能量没有直接关系，而是物体运动状态中同时具有力的作用和能量的转化，这点在上面叙述中已经论述过。我认为物体受到力的作用，改变了运动状态，物体在运动状态变化过程中伴随着能量的变化。物体受到力的作用产生运动，运动产生做功，做功让物体产生了能量转化，这样的理解更为科学合理。我们可以试想这样一个事例，物体放在桌面上，当物体放在桌面上的一刻，桌面给了物体支撑力，而物体自身重力和桌面的支撑力产生二力平衡，合力为零，处在静止状态。这时物体就没有产生能量的变化，所以物体受力与能量转化之间并没特定的联系，只是物体在运动状态中能量可能发生转化，并且遵循能量守恒定律。众多学科领域的科学家就“能量守恒问题”都展开过研究，他们普遍认为“能量既不可能被创造，也不可能被消灭”，是物质的特殊表现状态。受到“牛顿力学”思想的影响，我们习惯性地认为物体受到力的作用会产生能量，并且能量之间会相互转化。其实这种物理认知是不对的，力是两个物体相互作用的结果，而能量是物体的一种表现形式，在力的作用下，物体产生位移，做了功，产生了能量的变化，并且各种能量形式如；化学能、动能、重力势能之间相互转化。

综上所述，“牛顿力学”中的守恒问题是；物体受到“力”的作用使运动状态发生的改变，物體运动状态改变可能伴随能量的变化，一种能量形式转化为另外一种能量形式，遵循能量守恒定律。物体所受力的大小和强弱与物体能量的转化没有特定的联系，物体受力变化可能产生能量转化，也可能不涉及能量转化，要具体问题具体分析。

参考文献：

[1]胡乙丹.如何使用能量守恒定律分析高中物理问题[J].数理化解题研究.2017（04）

[2]张子茜.如何用能量守恒分析高中物理问题[J].高考.2016（18）

[3]罗希越.运用能量守恒解决物理问题[A].新教育时代（2015年11月 总第6辑）[C].2015

作者简介：何凯（1999.10.05）男，籍贯：四川省崇州市，学校：四川省成都市第十二中学。endprint