能量概念的发展及能量守恒定律的发现.docVIP

能量概念的发展及能量守恒定律的发现 能量是物质运动的一种量度，是人们认识客观世界的主要对象之一。19世纪中期发现的能量守恒定律表明能量是个守恒量，它可以由一种形式转化为另一种形式。能量守恒定律深刻地揭示了各种形式能量的相互联系和自然界的统一性，被恩格斯称为伟大的运动基本定律，19世纪自然科学三大发现之一。[1]能量守恒定律的发现以及能量概念的形成经历了漫长的历史过程，它是人类在生产实践和科学实验的基础上对自然界的运动转化长期认识的结果。从研究机械能守恒到得出广义的能量守恒定律其间经历了大约一百五十年的孕育时期。 从历史上考察，能量原理是从力学留传下来的。意大利物理学家伽利略(Galileo，1564—1642)在1638年出版的《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》(简称《两门新科学》)中，讨论了自由落体运动和物体沿斜面的运动，提出了这样的假设：静止的物体不论是沿竖直方向自由下落还是沿不同倾斜度的斜面从同一高度下落，它们到达末端时具有相同的速度，这就是“等末速度假设”。[2]伽利略利用一个简单的实验检验了这个假设。摆球沿圆弧运动可看作是沿着一系列不同倾斜度的斜面的下落和上升运动。实验表明：使单摆由一侧开始摆动，当它经过最低点而到另一侧时，会升到几乎相同的高度，如果摆线中途为钉子E或F等所阻，则摆球将沿新的弧线上升，但仍达到相同的高度。这说明沿不同倾斜度的斜面对于下落速度没有任何影响。[2]物体下降时所得的速度正好等于能够把它送到原来高度的那个速度，一个物体下降的速度只决定于下降的竖直高度而与下降时实际经过的路程的形状无关。伽利略的这个假设为后来揭示重力场的保守性，即在重力场作用下物体的机械能守恒开了先河。 德国数学家、哲学家莱布尼兹(G.W.Leibniz,1646—1716)提出了“活力”概念及“活力”守恒原理。1686年，莱布尼兹在他的论文《关于笛卡尔和其他人在确定物体的运动力中的错误的简要论证》中提出mv不宜作运动的原动力的量度，应把mv2作为原动力的量度。他认为：“力必须由它所产生的效果来衡量，例如用它能将一个重物举起的高度来衡量……而不是用它传给另一物体的速度来衡量。”他把物体的重量和上升的高度的乘积作为运动的力的量度。他说：“我假定将1磅重的物体A从D提升到4爱尔(注1爱尔(ell)=45时)高的C，其所需的力等于把4磅重的物体B从F提升到1爱尔高的E。这个假定是笛卡儿派所承认的，也是我们时代的其它哲学家与数学家们所承认的。”[3]他根据伽利略的落体定律计算出物体自由下落的高度和它下落此高度所获得的速度的平方成正比，即v2∝h，而物体下落所得的速度正好等于把它送到原来高度的那个速度，所以物体能上升的高度就和这速度的平方成正比。以物体的重量和提升的高度的乘积作为运动的力的量度时，应以mv2作为运动的力的真正量度。莱布尼兹把mv2叫做活力(visviva) 和笛卡尔一样，莱布尼兹也相信宇宙中运动的总量必须保持不变，不过和笛卡尔不同他认为应该用mv2表示这个量，而不是mv。莱布尼兹的活力守恒概念在当时的力学现象中也得到了验证。荷兰物理学家惠更斯(ChristianHuygens,1629—1695)在1703年作为遗稿发表的论文《论碰撞作用下物体的运动》中对完全弹性碰撞作了详尽的研究。惠更斯写道：“在两个物体的碰撞中，它们的质量和速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变。”[4]这就是完全弹性碰撞中“活力”守恒原理的具体表述。 对非弹性碰撞，动量是守恒的(这对笛卡尔派有利)，但是活力是减少的。莱布尼兹仍坚信活力是守恒的。为了说明在非弹性碰撞中活力并没有减少，他提出了一个巧妙的解释，即认为碰撞物体在整体上所减少的活力并未消失，而只是被物体内部的微小粒子吸收了，微粒的活力增加了。这个思想是深刻的。莱布尼兹当时当然没有现代的分子原子概念，他的这种解释纯属设想，但是却符合了近代分子运动论的观点——碰撞物体整体的动能变成了热能，即内部分子运动的动能。[5] 莱布尼兹还把他的活力守恒思想推广到碰撞以外的问题中。他看到当石头以一定的初速竖直抛上时，它的速度随高度而减少，到达最高点时活力变为零；然后回落，活力又逐渐增大，最后又可恢复原来的活力数值。对上抛过程中活力的显然减少，莱布尼兹仍坚持活力并未消失而是以某种形式被储存起来了，当物体回落时这储存的活力又被释放了出来。由此可以看出，莱布尼兹的活力守恒的信念何等牢固！他的这种活力被储存起来的想法是后来势能概念的先声。[5] 瑞士的数学家约翰·伯努利(JohannBernoulli,1667—1748)对活力概念作出了深刻的说明。他认为非弹性物体类似于在压缩后其膨胀受到限制的弹簧，在物体的压缩中活力减少了。但是在它们的变形中没有消失。他没有把非弹性碰撞中活力的损失归因于热，他直接用