通過(guò)能量守恒現(xiàn)象理解能量守恒定律

黃天澍

【中圖分類號(hào)】O4. 413 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）18-0068-02

能量是物體的一種屬性，它能改變物體的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者周圍的環(huán)境。能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而總能量保持恒定不變。能量守恒定律作為自然界的一個(gè)普遍規(guī)律，是高中物理學(xué)習(xí)的一個(gè)重要內(nèi)容，同時(shí)也是容易出現(xiàn)理解障礙的部分。我與周圍同學(xué)的切身體會(huì)是，學(xué)習(xí)能量守恒定律的主要困難不在于記憶它的公式，甚至也不在于運(yùn)用公式來(lái)解決實(shí)際生活中的例題，而在于如何理解能量守恒定律本身，如何從思想上毫無(wú)障礙地接受這樣一個(gè)規(guī)律，真正弄清楚這個(gè)定律是怎么來(lái)的。通過(guò)學(xué)習(xí)教科書(shū)和查閱資料知道，這個(gè)定律是邁爾、焦耳、亥姆霍茲、克勞修斯和開(kāi)爾文等科學(xué)家對(duì)人類經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它不是從其它原理推出來(lái)的，不能用任何別的原理來(lái)證明。因此，為了能夠更好地理解這個(gè)定律的原因，我們最好從能量守恒現(xiàn)象入手，通過(guò)考察能量守恒現(xiàn)象來(lái)領(lǐng)會(huì)能量守恒定律。

一、能量守恒現(xiàn)象

現(xiàn)象一：將一塊石頭和地球看作一個(gè)系統(tǒng)，讓石頭從1米高處下落，做自由落體運(yùn)動(dòng)。石頭在開(kāi)始的時(shí)候處于靜止?fàn)顟B(tài)，在正要下落的瞬間，它只具有勢(shì)能。當(dāng)它落下時(shí)，它的勢(shì)能隨著高度的減小而減小，同時(shí)它的動(dòng)能不斷增加。如果忽略不計(jì)摩擦力，勢(shì)能與動(dòng)能之和保持不變。當(dāng)石頭剛要接觸地面時(shí)，它的所有勢(shì)能就轉(zhuǎn)變成了動(dòng)能。

現(xiàn)象二：將單擺和地球看作一個(gè)系統(tǒng)，選擇單擺靜止時(shí)擺錘所處的最低點(diǎn)的高度作為參考面。我們用手把擺錘拉到某一高度，則這個(gè)力做了功，給了系統(tǒng)一個(gè)機(jī)械能。在松開(kāi)擺錘的瞬間，擺錘的全部能量都以勢(shì)能的形式出現(xiàn)，當(dāng)擺錘向下擺動(dòng)的過(guò)程中，勢(shì)能逐漸變成動(dòng)能。當(dāng)擺錘處于最低點(diǎn)的時(shí)候，它的重力勢(shì)能為零，而動(dòng)能等于系統(tǒng)的總機(jī)械能。如果沒(méi)有摩擦，系統(tǒng)的總機(jī)械能保持恒定。

從這兩個(gè)以及類似的現(xiàn)象，我們能夠近似地觀察到能量守恒定律。在一個(gè)封閉的系統(tǒng)里，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但系統(tǒng)中能量的總量保持不變。

二、能量守恒的邊界范圍

如果我們進(jìn)一步仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)生活中的這些能量守恒現(xiàn)象似乎并不守恒。例如，在地球與乒乓球組成的系統(tǒng)中，我們讓一個(gè)乒乓球從距離地面1米高處下落，乒乓球的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，落地后從地上反彈時(shí)動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成勢(shì)能，但是乒乓球卻不會(huì)達(dá)到原來(lái)的高度，而是越來(lái)越低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，乒乓球完全停止了跳動(dòng)。在全部時(shí)間里，動(dòng)能與勢(shì)能的總和不是恒定的，而是越來(lái)越少。類似的例子還有很多，例如，我們用力撥動(dòng)鐘擺，它的擺動(dòng)幅度會(huì)越來(lái)越窄，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后完全停止。

我們繼續(xù)重復(fù)三次上述乒乓球自由落體運(yùn)動(dòng)。第一次讓乒乓球落在光滑的玻璃上，我們看到乒乓球初次彈起的高度接近它的初始高度，彈跳的次數(shù)較多，持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。第二次讓乒乓球落在水泥地面上，它初次彈起的高度就低一些，彈跳的次數(shù)比第一次少一些，持續(xù)的時(shí)間也短一些。第三次讓乒乓球落在細(xì)沙上，它幾乎不彈起。這些試驗(yàn)表明，乒乓球的能量流失與它落地后觸到的物體有關(guān)。物體與乒乓球的摩擦力會(huì)減緩它的運(yùn)動(dòng)。不同的物體與乒乓球產(chǎn)生的摩擦力不同，造成它的動(dòng)能與勢(shì)能的減少程度不同。所以必須把乒乓球、地球和地面的物體共同看成一個(gè)系統(tǒng)，才可能解釋能量守恒。事實(shí)上，乒乓球在空氣中運(yùn)動(dòng)還受到空氣阻力的作用，乒乓球的勢(shì)能在下落時(shí)并沒(méi)有全部轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能和聲能。所以，要準(zhǔn)確計(jì)算乒乓球下落運(yùn)動(dòng)中的能量守恒，還要把空氣也計(jì)入系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，我們必須確定哪些物體構(gòu)成了這樣一個(gè)系統(tǒng)，確定這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有的能量轉(zhuǎn)化形式，才能弄清楚能量是否守恒。如果不清楚系統(tǒng)的邊界范圍以及所有的能量轉(zhuǎn)化形式，運(yùn)用能量守恒定律就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

三、能量守恒的參考面設(shè)置

在一個(gè)封閉系統(tǒng)里，能量守恒不等于系統(tǒng)內(nèi)各種能量的數(shù)值恒定不變。例如，在自由落體運(yùn)動(dòng)中，參考面的設(shè)置不同，系統(tǒng)內(nèi)勢(shì)能的能量值是不同的。在上述乒乓球自由落體運(yùn)動(dòng)中，如果我們以乒乓球下落的終點(diǎn)即地面為參考面，乒乓球的高度便是從地面開(kāi)始測(cè)量。因此，當(dāng)一個(gè)0.05N的乒乓球在地面時(shí)，高度h=0m，重力勢(shì)能Ep=OJ。系統(tǒng)的重力勢(shì)能在下落的終點(diǎn)為零，在下落的最高點(diǎn)即1米高處為最大值0.05J。如果我們以乒乓球下落的最高點(diǎn)為參考面，在這一點(diǎn)上，高度h=0m，重力勢(shì)能Ep=OJ。系統(tǒng)的重力勢(shì)能在最高點(diǎn)為零，而在下落的終點(diǎn)是負(fù)值即-0.05J。不過(guò)，在這每種情況下，在乒乓球運(yùn)動(dòng)的全部時(shí)間里，系統(tǒng)的總能量都是恒定的。

四、能量守恒的近似性

在我們對(duì)這些能量守恒現(xiàn)象進(jìn)行觀察和測(cè)量的過(guò)程中，我們注意到即使在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中能量也只是近似地守恒，而非完全守恒。這是因?yàn)槌苏麄€(gè)宇宙之外，世界上從來(lái)沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)封閉的系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)都與其周圍的環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換。如果說(shuō)能量守恒是一個(gè)系統(tǒng)變化前后系統(tǒng)整體的總能量守恒，系統(tǒng)內(nèi)局部的能量不可能完全守恒，那么嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，絕對(duì)的能量守恒現(xiàn)象在我們經(jīng)驗(yàn)到的世界里并不真正存在，它是科學(xué)家對(duì)人類經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行理想化的抽象的結(jié)果。但是，這并不意味著能量守恒定律是錯(cuò)誤的，更不能說(shuō)它是無(wú)用的。平面幾何學(xué)中沒(méi)有大小的點(diǎn)、只有長(zhǎng)度而沒(méi)有寬度的線、只有長(zhǎng)寬而沒(méi)有厚度的面，也是思想的產(chǎn)物，在自然中并不存在，但是由這些概念所構(gòu)成的幾何學(xué)知識(shí)卻對(duì)人類非常有用。同樣，科學(xué)家從經(jīng)驗(yàn)中抽象出的能量守恒定律也幫助人類解決了生產(chǎn)和生活中的許多難題，還會(huì)在將來(lái)幫助人類解決更多的難題。