論牛頓力學(xué)的守恒問題

摘要：“牛頓力學(xué)”作為經(jīng)典力學(xué)的主體，是以數(shù)學(xué)幾何方法進(jìn)行物體受力表示的力學(xué)定律，適用于普通狀態(tài)下的物體受力分析。諸如汽車運(yùn)動(dòng)原理、飛機(jī)的飛行原理、人體的平衡都問題可以從“牛頓力學(xué)體系”中尋求答案。結(jié)合所學(xué)知識(shí)，探求牛頓力學(xué)本質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)力的產(chǎn)生和變化永遠(yuǎn)與“能量守恒問題”相聯(lián)系，或許可以這樣認(rèn)為；物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的產(chǎn)生是力和能量共同作用的結(jié)果，物體受力一定會(huì)產(chǎn)生能量。在這樣的思路引導(dǎo)下，我們可以適從生活中的一些案例來探討這些問題。

關(guān)鍵詞：牛頓力學(xué)；能量守恒；物體運(yùn)動(dòng)；問題研究

一、力的作用與能量轉(zhuǎn)化

每天騎自行車上學(xué)我們經(jīng)常有這樣的感受，在上坡的時(shí)候我們需要付出更多的力氣才能讓自行車保持運(yùn)動(dòng)并上到斜坡的最高點(diǎn)，當(dāng)下坡的時(shí)候，我們即使不用腳去做功，自行車也會(huì)自動(dòng)前行并保持加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。按照力學(xué)理論解釋，自行車下坡主要受到了重力的影響，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能令自行車產(chǎn)生了動(dòng)力，自行車可以保持勻加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而上坡的時(shí)候，我們身體的運(yùn)動(dòng)給自行車向上的動(dòng)力，但是上坡受到了重力的影響，當(dāng)自行車所受動(dòng)力大于自行車所受重力時(shí)，自行車才能保持向上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而動(dòng)能在這一運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為了重力勢能。從這個(gè)生活事例我們可以看出，自行車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與自行車的受力大小有關(guān)，力的變化始終伴隨著能量的變化，能量的大小始終保持著守恒狀態(tài)，是人體做功產(chǎn)生機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。

二、特殊狀態(tài)中物體力和能量的變化

上述事例只是在日常狀態(tài)下證明了物體受力變化與物體的能量變化，要是在特殊的狀態(tài)下呢？例如，真空環(huán)境、高溫高壓環(huán)境、極度低溫狀態(tài)下，物體是否還能保持這樣的運(yùn)動(dòng)變化？由于這些環(huán)境的創(chuàng)造所需設(shè)備和資源過于苛刻，只能在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，所以我們只能通過假設(shè)的方法進(jìn)行間接證明。假設(shè)真空環(huán)境下，沒有空氣阻力，有一個(gè)處在靜止?fàn)顟B(tài)的小球，小球表面和小球所處平面絕對(duì)光滑，不考慮摩擦力影響。這時(shí)給小球施加一個(gè)力，讓小球直線運(yùn)動(dòng)。在這種理論實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，小球受到力的作用會(huì)改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且受到平面支撐力和重力的影響，小球會(huì)呈現(xiàn)出勻速直線運(yùn)動(dòng)，且一直維持下去。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中小球受到力的影響，一直維持著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而所受的力令小球產(chǎn)生動(dòng)能，由于未受到空氣阻力和摩擦力的影響，小球的動(dòng)能不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，因此小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。由此可見，在“牛頓力學(xué)”范疇下，力的產(chǎn)生和改變伴隨著物體的能量變化，當(dāng)處在絕對(duì)理想環(huán)境中，物體的能量無法發(fā)生轉(zhuǎn)化，會(huì)讓物體一直保持固定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

三、能量守恒定律

結(jié)合所學(xué)物理知識(shí)，探究“牛頓力學(xué)”，我們發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)視域中，能量既不能憑空被創(chuàng)造，也不能憑空產(chǎn)生，它是不同能量形式之間的轉(zhuǎn)化。例如，汽車能夠跑起來，那是由于汽車裝備有內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)通過燃燒化石燃料進(jìn)行做功，將化學(xué)能源轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，令汽車運(yùn)動(dòng)起來，蒸汽機(jī)火車也是同樣的原理。高空跳傘運(yùn)動(dòng)員從飛機(jī)上跳下來，是重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的結(jié)果。我們可以這樣試想，跳傘運(yùn)動(dòng)員從飛機(jī)上跳下來，受到重力的作用產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，當(dāng)重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能時(shí)，跳傘運(yùn)動(dòng)員向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由此可見，物體運(yùn)動(dòng)過程中勢必伴隨著能量的變化，而物體能量變化是不同能量形式之間相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

四、牛頓力學(xué)與能量守恒

如果探究“牛頓力學(xué)”中的守恒問題，在我看來準(zhǔn)確的定義應(yīng)該是探究物體力的變化和物體的能量守恒問題，力和能量沒有直接關(guān)系，而是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中同時(shí)具有力的作用和能量的轉(zhuǎn)化，這點(diǎn)在上面敘述中已經(jīng)論述過。我認(rèn)為物體受到力的作用，改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過程中伴隨著能量的變化。物體受到力的作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生做功，做功讓物體產(chǎn)生了能量轉(zhuǎn)化，這樣的理解更為科學(xué)合理。我們可以試想這樣一個(gè)事例，物體放在桌面上，當(dāng)物體放在桌面上的一刻，桌面給了物體支撐力，而物體自身重力和桌面的支撐力產(chǎn)生二力平衡，合力為零，處在靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)物體就沒有產(chǎn)生能量的變化，所以物體受力與能量轉(zhuǎn)化之間并沒特定的聯(lián)系，只是物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中能量可能發(fā)生轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律。眾多學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家就“能量守恒問題”都展開過研究，他們普遍認(rèn)為“能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅”，是物質(zhì)的特殊表現(xiàn)狀態(tài)。受到“牛頓力學(xué)”思想的影響，我們習(xí)慣性地認(rèn)為物體受到力的作用會(huì)產(chǎn)生能量，并且能量之間會(huì)相互轉(zhuǎn)化。其實(shí)這種物理認(rèn)知是不對(duì)的，力是兩個(gè)物體相互作用的結(jié)果，而能量是物體的一種表現(xiàn)形式，在力的作用下，物體產(chǎn)生位移，做了功，產(chǎn)生了能量的變化，并且各種能量形式如；化學(xué)能、動(dòng)能、重力勢能之間相互轉(zhuǎn)化。

綜上所述，“牛頓力學(xué)”中的守恒問題是；物體受到“力”的作用使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生的改變，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變可能伴隨能量的變化，一種能量形式轉(zhuǎn)化為另外一種能量形式，遵循能量守恒定律。物體所受力的大小和強(qiáng)弱與物體能量的轉(zhuǎn)化沒有特定的聯(lián)系，物體受力變化可能產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)化，也可能不涉及能量轉(zhuǎn)化，要具體問題具體分析。

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作者簡介：何凱（1999.10.05）男，籍貫：四川省崇州市，學(xué)校：四川省成都市第十二中學(xué)。endprint