基于能量守恒定律的研究與分析

馬騫

運動，是一種涉及體力和技巧的由一套規(guī)則或習(xí)慣所約束的行為活動。現(xiàn)實世界中的物體是一直在運動的，運動就會產(chǎn)生能量。所有的物體都在進行運動，那么看得見的物體在運動，看不見的物體也在運動，所有物體的運動都需要依靠能量來完成，需要從一種能量轉(zhuǎn)換到另一種能量，需要受到的力對物體進行做功。能量這個詞是托馬斯·楊于1807年在倫敦國王學(xué)院講自然哲學(xué)時引入的，針對當(dāng)時的“活力”或“上升力”的觀點，提出用“能量”這個詞表述，并和物體所作的功相聯(lián)系，但未引起重視，人們?nèi)哉J為不同的運動中蘊藏著不同的力。物體在運動時就會產(chǎn)生能量，能量（energy）是物質(zhì)的基本單元在空間中的運動周期范圍的測量。

1831年法國學(xué)者科里奧利又引進了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系數(shù)，稱為動能，通過積分給出了功與動能的聯(lián)系。1853年出現(xiàn)了“勢能”，1856年出現(xiàn)了“動能”這些術(shù)語。直到能量守恒定律被確認后，人們才認識到能量概念的重要意義和實用價值。能量守恒，是物理學(xué)名詞。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能由一個物體傳遞給另一個物體，而且能量的形式也可以互相轉(zhuǎn)換。這就是人們對能量的總結(jié)，稱為能量守恒定律。

一、能量

（一）能量的簡介

能量是物質(zhì)運動轉(zhuǎn)換的衡量準(zhǔn)則，簡稱“能”。任何物體都會產(chǎn)生運動，每一個物體也都有自己的能量，在物體運動過程中物體在進行能量的轉(zhuǎn)移。在物質(zhì)的一切屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動的具體表現(xiàn)。能量是表征物理系統(tǒng)做功的本領(lǐng)的量度。能量是物質(zhì)所具有的基本物理屬性之一，是物質(zhì)運動的統(tǒng)一量度。能量的單位與功的單位相同，在國際單位制中是焦耳（J）。能量以多種不同的形式存在;按照物質(zhì)的不同運動形式分類，能量可分為機械能、化學(xué)能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量之間可以通過物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而相互轉(zhuǎn)化。能量是所有物體產(chǎn)生運動的依靠，因為物體存在能量才會發(fā)生變化。那么物體的運動形式不同就會產(chǎn)生不同的能量。物體在做機械運動的時候就會產(chǎn)生機械能，生物質(zhì)在運動過程中就會產(chǎn)生化學(xué)能，分子在運動過程中就會產(chǎn)生熱能，電子在運動過程中就會產(chǎn)生電能。

（二）常見的幾種能量

1.動能。

動能是物體由于作機械運動而具有的能，以m為質(zhì)量的物體以速率v運動時，它的動能為[Ek12mv2]。

2.重力勢能。

重力是保守力。質(zhì)量為m的物體，所受到的重力是g（g=9.80665米/秒，也就是重力加速度）。如果把地面選作零勢能位置，則物體在髙度h處所具有的重力勢能為[Ek=mgh]。

二、能量守恒定律的理論體系和發(fā)展歷史

能量是物體運動的基礎(chǔ)，每個物體在運動過程中會產(chǎn)生不同形式的能量，但是總體的能量是不發(fā)生變化的，不同能量之間相互轉(zhuǎn)化。這樣的能量轉(zhuǎn)化伴隨著物體的運動，符合自然物理規(guī)律，可以解釋任何物體的運動。

（一）能量守恒定律的理論體系

物體是運動的，每一個物體都會產(chǎn)生能量，而在物體運動過程中的每個時刻，都有能量的轉(zhuǎn)移，在運動過程中能量是多種多樣的。物體在進行運動過程中，各種能量之間會相互轉(zhuǎn)化，但是能量是固定不變的，也不會減少和增多。

1.能量守恒定律的內(nèi)容。能量不會產(chǎn)生也不會消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變。

2.能量守恒定律。

定律的表達式為：[E1=ΔE增-ΔΕ減]

其中[Ε1]表示狀態(tài)1產(chǎn)生的能量，表示[Ε2]狀態(tài)2產(chǎn)生的能量，這個定律表示了一個物體從狀態(tài)1運動到狀態(tài)2產(chǎn)生的能量是相等的，物體從狀態(tài)1運動狀態(tài)2增加的能量等于減少的能量，所以能量沒有發(fā)生變化，能量是守恒的。

（二）能量守恒定律的發(fā)展歷史

一般一個定律發(fā)展的歷史都是比較長時間的。而能量守恒定律也是經(jīng)過很長時間的，人們根據(jù)這個觀察與發(fā)現(xiàn)一點一點地發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律然后總結(jié)這個規(guī)律。18世紀與19世紀之交，各種自然現(xiàn)象之間的相互轉(zhuǎn)化相繼發(fā)現(xiàn)：在熱向功的轉(zhuǎn)化和光的化學(xué)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)之后，1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線的熱效應(yīng)。電池剛發(fā)明，就發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)和電解現(xiàn)象。1820年，發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1821年發(fā)現(xiàn)熱電現(xiàn)象，1834年發(fā)現(xiàn)其逆現(xiàn)象。1843年，英國實驗物理學(xué)家焦耳進行了更多的工作，測定了更精確的當(dāng)量值。1850年，發(fā)表的結(jié)果是：“要產(chǎn)生一磅水（在真空中稱量，其溫度在55°和60°之間）增加華氏1°的熱量，需要消耗772英磅下落一英尺所表示的機械功?！?焦耳的工作，為“力的守恒”原理奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。德國科學(xué)家亥姆霍茲于1847年發(fā)表了著作《論力的守恒》。提出了一切自然現(xiàn)象都應(yīng)該用中心力相互作用的質(zhì)點的運動來解釋。

（三）能量是通過做功來傳遞的

物體在運功過程中，會產(chǎn)生各種各樣的力，那么力就會對物體做功。而能量是守恒的，那么能量就是通過做功來實現(xiàn)能量之間的傳遞的。比如爬樓梯，人因為有重力，重力就會對人做功，也會有重力勢能，人發(fā)生運動就會產(chǎn)生動能。由于能量守恒定律就可以得出重力對人做的功就是改變的動能，因為重力勢能是一直變化的，因此重力勢能的增量和動能的減量是相等的。比如人在下樓梯，那么人因為有重力，重力對于物體做功，重力勢能也會變小，因此重力做功就會使能量之間進行轉(zhuǎn)化成動能，因此下樓梯會感覺輕松，因為重力勢能減小，但是總能量不變，轉(zhuǎn)化成動能，因此人會比較輕松。上樓梯，人會感覺比較辛苦，因為重力勢能增加，會讓動能轉(zhuǎn)化成重力勢能，因此人會比較累，是因為人需要做出動能所需要的能量。

三、能量守恒定律的應(yīng)用

（一）在機械運動中的能量守恒定律

在物體發(fā)生機械運動中，物體會產(chǎn)生動能，之后會將動能轉(zhuǎn)換成熱能。由于物體的能量是固定不變的，因此系統(tǒng)在發(fā)生運動過程中就會產(chǎn)生相對應(yīng)的力，力會做功產(chǎn)生能量，那么外力所做的功就是物體動能發(fā)生改變的部分。在物體做機械運動中，會產(chǎn)生外力，就會做功，物體就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移和變換，但是總體的能量是不發(fā)生變化的。在機械運動當(dāng)中，物體運動產(chǎn)生的能量，會轉(zhuǎn)化會其他形式的能量，而總的能量保持不變，因此這個能量守恒定律是通用的，在物體運動當(dāng)中，能量在發(fā)生變化，只是因為物體受到外力而對物體做功，剛好做功體現(xiàn)了能量的變化。

（二）在分子熱運動中的能量守恒定律

分子因為受熱而產(chǎn)生運動，那么分子系統(tǒng)就會產(chǎn)生內(nèi)能，而能量是守恒的，所以內(nèi)能和其他能量之間是相互轉(zhuǎn)化的，能量的轉(zhuǎn)化是通過分子運動發(fā)熱來傳遞的。因此在分子熱運動當(dāng)中，每個分子都可以是單獨的物體，每個分子都保持能量守恒，而在分子熱運動中，可以將整個運動的分子作為整個系統(tǒng)來看，系統(tǒng)也是能量守恒的，內(nèi)部的能量也是在進行轉(zhuǎn)化的，因為每個分子之間都有一種作用力，因此整個系統(tǒng)受到所有分子作用的合力，就會對物體做功，就會產(chǎn)生能量的變化。

四、結(jié)語

一切物體都是在運動的，那么運動就會存在能量，物體在任何狀態(tài)下的能量都是守恒的，所以任何一個狀態(tài)下能量都是相等的，那么各個時刻物體的各種能量之間就會存在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。因為能量可以在任何方面，所以在各個時刻各個狀態(tài)下物體的能量都是相等的，所以物體的能量只會是轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。

能量守恒定律適用于所有物體，適用于任何狀態(tài)下的物體，能量不會產(chǎn)生也不會消失，在各種運動當(dāng)中，物體會產(chǎn)生各種各樣的力，這些力對物體做功，從而產(chǎn)生各種不同能量之間的轉(zhuǎn)移。能量守恒定律是物體運動的一個基本規(guī)律，在運動過程中，物體的各種能力之間會產(chǎn)生變化，但是總的能量保持不變，這也就是說系統(tǒng)會什么能夠保持穩(wěn)定的原因，也就是說為什么整個宇宙都是在一直存在，每個物體都在按照自己的運動軌跡運動，每一個小的物體能量守恒，那么整個系統(tǒng)能量守恒，乃至整個宇宙能量守恒，因此世界萬物都是穩(wěn)定的。

（責(zé)任編輯? 袁 霜）