侯桂蘭

我們知道：任何物質(zhì)離不開運(yùn)動(dòng)，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)，分子熱運(yùn)動(dòng)，化學(xué)運(yùn)動(dòng)，原子核和基本粒子運(yùn)動(dòng)，電磁運(yùn)動(dòng)等，而各種運(yùn)動(dòng)形式是能夠相互轉(zhuǎn)化的，而且在轉(zhuǎn)化時(shí)存在著一定的數(shù)量關(guān)系，一定量的某種運(yùn)動(dòng)形式的產(chǎn)生，總是以一定量的另一種運(yùn)動(dòng)形式的消失為代價(jià)，消耗某種運(yùn)動(dòng)的量越多，轉(zhuǎn)化為別的運(yùn)動(dòng)的量值也越大。要深入研究這種運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化中存在的數(shù)量關(guān)系，就有必要對(duì)這種運(yùn)動(dòng)的量作出定量的表示，對(duì)運(yùn)動(dòng)所能作的最一般的量度就是能量。能量是一個(gè)狀態(tài)物理量，相應(yīng)于不同形式的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，能量有機(jī)械能（包括動(dòng)能、重力勢(shì)能、 彈性勢(shì)能、聲能），物質(zhì)能（包括分子內(nèi)能、化學(xué)能、原子核能）、電磁能（包括電能、磁能、輻射能）等等。當(dāng)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，能量形式同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變。各種運(yùn)動(dòng)形式的相互轉(zhuǎn)化的過程可以看作是各種形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程。各種不同形式的能量的轉(zhuǎn)化，在自然界中是每時(shí)每刻在進(jìn)行著，盡管各種不同形式的能量之間進(jìn)行著轉(zhuǎn)換，但是對(duì)于一個(gè)不受外界影響的物體系它所具有的各種不同形式的能量的總和是守恒的，能量只能從一個(gè)物體傳遞給另外的物體，或從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，即不能創(chuàng)生，也不能消滅，這就是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

1、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的建立促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，是物理學(xué)中具有普遍意義的定律之一，也是各種自然現(xiàn)象都遵循的普遍規(guī)律，它反映了各種形式的物理運(yùn)動(dòng)（還包括化學(xué)運(yùn)動(dòng)和生物運(yùn)動(dòng)）之間的內(nèi)在聯(lián)系和量的關(guān)系。它適用于任何變化過程，不論是機(jī)械、熱、電磁、原子和原子核內(nèi)，以及生物、化學(xué)等等。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律對(duì)于分析和研究各種實(shí)際變化過程具有重大的指導(dǎo)意義。

從16世紀(jì)到18世紀(jì)，經(jīng)過伽利略、牛頓、惠更斯、萊布尼茲及伯努利等物理學(xué)家的認(rèn)真研究，使力學(xué)得到了較大的發(fā)展，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒的初步思想在這一時(shí)刻已經(jīng)萌芽。淪德福、戴維的摩擦生熱實(shí)驗(yàn)否定了“熱質(zhì)說”，把物體的內(nèi)能與機(jī)械運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。伏打電堆發(fā)明后緊接著發(fā)現(xiàn)了電解現(xiàn)象，意味著電轉(zhuǎn)化為化學(xué)親和力，相反電池則被看作使化學(xué)親和力向電轉(zhuǎn)化的裝置。之后又發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)、珀 爾 貼效應(yīng)（電流轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔?、電磁感?yīng)現(xiàn)象以及光的化學(xué)作用在照相術(shù)上的實(shí)際應(yīng)用等。歷史上還曾有許多人企圖發(fā)明一種永動(dòng)機(jī)，它不消耗能量而能不斷地對(duì)外做功，或者消耗少量能量而做大量的功。但是所有創(chuàng)造這類永動(dòng)機(jī)的嘗試都以失敗而告終，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)想違反了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。

2、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在力學(xué)中的地位

機(jī)械能守恒定律是力學(xué)中很重要的規(guī)律，該定律只是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一個(gè)在一個(gè)范圍內(nèi)一定條件下的特例，在力學(xué)中應(yīng)用較廣泛。由于摩擦力等非保守力普遍存在，機(jī)械能精確守恒的情況是比較少見的。但在許多問題中，將摩擦力等非保守力的功忽略不計(jì)。對(duì)計(jì)算結(jié)果并不發(fā)生明顯影響，因此，在這類情況下可應(yīng)用機(jī)械能守恒定律。下面是一些應(yīng)用機(jī)械能守恒定律的典型例子，包括宇宙速度問題。一般拋射體（包括炸彈）將沿拋物線回到地面，當(dāng)速度達(dá)到一定程度即第一宇宙速度V1時(shí)，物體將成為一顆人造地球衛(wèi)星。如果拋射的速度繼續(xù)增大到第二宇宙速度V2，物體還會(huì)擺脫地球的引力而成為太陽系內(nèi)的一顆人造行星。最后，如果拋射的速度繼續(xù)增大到第三宇宙速度V3，物體甚至能擺脫太陽的引力，到其他恒星世界去旅行。人造地球衛(wèi)星、人造行星和恒星際宇宙飛船是探索宇宙秘密的三個(gè)階梯，關(guān)鍵在于獲得對(duì)應(yīng)的第一、第二和第三宇宙速度。宇宙速度實(shí)際上反映了宇宙航行對(duì)于發(fā)射動(dòng)力的要求。第一宇宙速度V1即環(huán)繞地球表面作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。用R地表示地球半徑，m表示運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量，根據(jù)牛頓第二定律，

第二、第三宇宙速度的計(jì)算，應(yīng)用了機(jī)械能守恒定律。忽略了其他次要因素。

3、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在電學(xué)中的地位及在生產(chǎn)技術(shù)中的貢獻(xiàn)

能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在電磁學(xué)中應(yīng)用也十分廣泛，主要以電能來闡述的，電過程是自然界的基本過程。隨著電磁學(xué)的日臻完善也促進(jìn)了電技術(shù)的發(fā)展，從而使能量轉(zhuǎn)化和守恒在電磁學(xué)中有著很重要的地位，它使電技術(shù)具有便于實(shí)現(xiàn)電與其他運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化效能高、傳遞迅速、準(zhǔn)確、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。因此能量轉(zhuǎn)化和守恒實(shí)現(xiàn)了電技術(shù)在能源的合理開發(fā)，輸送和使用方面的作用，使人類可更廣泛，更有效，更方便地利用一切可利用的能源，實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制和自動(dòng)化，在信息的傳遞以及利用各種電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)方面也具有重要意義，此外，在電子計(jì)算機(jī)的性能改進(jìn)和廣泛使用方面，也起著重要作用。迄今，無論人類生活、科學(xué)技術(shù)活動(dòng)以及物質(zhì)生產(chǎn)活動(dòng)都離不開電能，例如，“電容焊”把已充電的電容器兩極板用導(dǎo)線短路而放電，利用放電火化的熱能可以熔焊金屬，那么放電火花的熱能據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒知，是由放了電的電容器中存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化而來。1901年馬可尼第一次建立橫跨大西洋的無線電聯(lián)系后，當(dāng)你打開收音機(jī)的時(shí)候，由電磁波帶來的能量就從天線輸入，經(jīng)過電子線路的作用轉(zhuǎn)化為喇叭發(fā)出的聲能。場(chǎng)和電荷相互作用時(shí)，能量在場(chǎng)和電荷之間轉(zhuǎn)移，如在接收電磁波的過程中，電磁場(chǎng)作用于接收天線的自由電荷上，引起天線上的電流，電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)化為接收系統(tǒng)上的電磁能量。因此，場(chǎng)和電荷之間，場(chǎng)的一區(qū)域與另一區(qū)域之間，都可能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)移過程中總能量是守恒的，所有這些更加顯示出能量轉(zhuǎn)化和守恒在電學(xué)中的地位。

4、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱學(xué)及其他領(lǐng)域中的地位

能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱學(xué)中，有很重要的地位。1842年在波根道夫《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了《論無機(jī)自然界的力》，就在此中最早提出了能的轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)，從定壓比熱和定容比熱的差中算出了熱功當(dāng)量的值。英國物理學(xué)家焦耳一生致力于實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)電流產(chǎn)生熱的研究，確立了電流和熱具有等同性，從實(shí)驗(yàn)上確定了現(xiàn)在的焦耳定律。焦耳以電流為媒介，將化學(xué)作用、熱、電三者統(tǒng)一起來進(jìn)行研究，這樣就敲開了能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的大門。

原子物理學(xué)中人們利用能的守恒與轉(zhuǎn)化定律來研究自然規(guī)律取得了許多重大成就，例如在近代物理學(xué)的研究中，1993年意大利科學(xué)家費(fèi)米利用能的轉(zhuǎn)化與守恒定律發(fā)現(xiàn)了中微子，中微子的發(fā)現(xiàn)又是能量守恒定律應(yīng)用的例證。這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。

所以，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律貫穿于物理學(xué)的全部，有著及其重要的地位，除了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)以外，物理學(xué)的各個(gè)部分也都可以用能量守恒與轉(zhuǎn)化定律來論證、分析、計(jì)算、檢驗(yàn)。當(dāng)然，有些問題由于題設(shè)條件的關(guān)系只能用物理學(xué)其它規(guī)律求解，但是應(yīng)該堅(jiān)信：現(xiàn)象如果涉及能量轉(zhuǎn)化，一定遵循能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。