第五章 能量守恒
2019-05-21 18:052,186

  能量是使物体运动或发生变化的推动力。它有多种表现形式,例如高度或速度的 变化、电磁波的传播,以及产生热量的原子振动等。虽然能量可以在各种形式之间互相转化,但其总量却永远是守恒的。能量既不能被创造,也不能被消灭。

  说起能量,我们都知道它是最基本的推动力。我们累了,就是缺少能量;我们欢呼雀跃,就是能量充沛。什么是能量呢?为我们身体充电的能量来自于化学物质的燃烧。在燃烧过程中,分子从一种形式变为另 一种形式,并将能量释放出来。但是使滑雪者沿斜坡加速或者点亮灯泡的都是什么类型的能量呢?它们真的都是能量吗?

  由于能量具有如此之多的表现形式,很难为其下一个定义。时至 今日,物理学家们仍不知能量的本质是什么,尽管他们能很好地描述能量,并通晓如何利用能量。能量是物质和空间的属性之一,是一种燃料 或者封装的驱动力,可以被创造,发生变化以及使物体运动。自然哲学家们对能量的模糊认识,可以追溯到古希腊,他们认为:能量是赋予物 体生命力的力量或者精华之所在。此种观念多年来一直伴随着人们。

  类似地,势能和动能之间的相互转化也可用于给我们的房屋供电。水电站和潮汐大坝将水从一定高度释放,利用其速度驱动涡轮机发电。

  能量的各种形式 某一时刻能量可以有各种不同的表现形式。压 缩的弹簧中具有弹性势能,可在需要时释放出来。热能加速了热材料 中原子和分子的振动。灶具上的金 属盘之所以温度升高,就是因为能 量的输入导致其内部的原子振动速 度加快了。能量也可通过光波和无线电波等电磁波进行传播。存储的 化 学 能可 通 过 化 学反 应 释 放 出来,

  爱因斯坦提出,质量本身就是能量,且能量可在物质被破坏时释放 出来。因此质量和能量是等价的。这就是著名的质能方程 E=mc2,其中 质量(m)被破坏时释放出的能量(E)等于 m 乘以光速(c)的平方。在核爆炸或者太阳内部发生的聚变反应中就有这种能量的释放。质能方程中的光速平方项是个很大的数字(光在真空 中的速度为每秒 3×108 米),因此即便只是破坏区区几个原子,其所释放出的能量也是巨大的。

  我们在家中消耗能量,也在利用能量发展工业。虽然经常谈及能量 的产生,但事实上,能量只不过是从一种形式转化成为另一种形式。我们从煤或天然气中获取化学能,将其转化为热,来驱动涡轮机发电。说 到底,煤和天然气中的能量来源于太阳,因此太阳能是地球万物赖以生存和发展的基础。尽管地球上有限的能源令人堪忧,然而只要能够对太 阳能加以利用,那么太阳提供的能量远远大于人类的需求。

  能量守恒 作为一条物理定律,能量守恒不仅仅包含减少家庭内部 的能源消耗问题。能量守恒定律说的是能量可在不同的形式之间转化,而保持总量不变。这个概念是伴随着最近对各种类型能量进行的独立研 究才出现的。在 19 世纪初期,托马斯。杨(Thomas Young)引进了能量一词,而在此之前,这种生命力被莱布尼兹称为活力。莱布尼兹最先 对钟摆的数学模型进行了研究。

  很快人们就发现,动能自身是不守恒的。球和飞轮经过一段时间 之后,速度都会逐渐变小,直到停止。但是快速运动确实导致摩擦生热(如在金属炮管上钻磨时),因此实验者推断释放出的能量的最终归宿是热。随着时间的推移,在制造机器的过程中各种不同形式的能量都被考 虑进来,科学家提出,能量只能从一种形式变为另一种形式,而不会消失或创造。

  角动量守恒与上述类似。对围绕一点旋转的物体来说,角动量定义 为物体的线动量乘以物体与旋转点之间的距离。滑冰者完成旋转动作时就要用到角动量守恒,当他们把四肢伸出时,转速就会减慢;而将四肢 贴紧身体时,转速就会加快。这是由于尺度变小了,若仍保持角动量守恒,就要加快转速进行补偿。你可以在办公室的椅子上试一试,道理是 一样的。动量 物理学里的守恒不仅仅限于能量。有两个概念在彼此之间是紧密关联的——线动量的守恒和角动量的守恒。线动量定义为质量和速度的乘积,它描述了使某一运动物体减速的困难程度。物体越重,运动 速度越快,动量就越大,改变其运动方向或使其减速就越困难。因此,一辆车速为 60 千米每小时的卡车要比相同车速的轿车的动量大得多,如果撞上你的话,造成的危害也就更加严重。动量不仅有大小,而且由 于速度的关系,它还有方向。物体在相互碰撞交换动量之后,动量的总量(大小和方向)将保持不变。读者玩台球的时候就会用到这条定律。 两球相撞时,互相交换运动,并保持动量守恒。如果你用一个运动的球去碰撞另一个静止的球,那么两球最后的路径将是最初运动的那个球的 速度和方向的加和。通过假定动量在各个方向上均守恒,就能够算出两球速度的大小和方向。

  能量守恒和动量守恒仍然是现代物理学的基本原理。即便是当代的 物理学研究领域,例如广义相对论和量子力学,也是离不开这些基本概念的。

  能量公式

  重 力 势 能(PE)的 公 式 是 PE=mgh,即 重 力 势 能的大小为质量(m)乘以重力加速度(g)乘以高度(h)。该 式 等 价 于 力(根 据 牛 顿 第 二 定 律 F=ma)乘 以距离,因此力可以传输能量。

  动 能(KE)的 代 数 表 达 式 是 KE=1/2mv2,因 此 动能的大小与速度(v)的平方成正比。动能也可认为是平均力与移动的距离两者的乘积。

继续阅读:第六章 简谐运动

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