概念规律：能量守恒定律的建立.pdf

参看录像转视频材料《能量守恒定律建立》2 7 ′ 能量守恒与转化定律的建立 （初期思想萌生于 1 7 世纪的力学研究；定律完成于 1 9 世纪 4 0 年代） 能量守恒和转化定律的建立，是继牛顿力学建立之后近代物理学发 展中又一次伟大的综合它和生物进化论、细胞学说一起，被称为 1 9 世 纪中叶的“三大发现” 一、能量原理产生的时代因素 1 ．从“活力”到“功”（跳转 1 ） 能量原理发展的前史表明，对运动转化过程定量化的认识，在近代 自然科学发展的初期，是以一个动力学定理的形式出现的，一直被称为 “活力守恒原理”早在 1 7 世纪初，伽利略已经发现了摆球的等高性， 并且提出了“等末速原理”1 6 6 9 年，惠更斯在弹性碰撞的研究中，提 出了这个量，并得出在完全弹性碰撞中，在碰撞前后不变的结论年，莱布尼兹把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的mvm v1686mv2 ii22量正是活力 到 1 8 世纪初，在约翰·伯努力利的著作里，就一再提到“活 力守恒”1 8 世纪中叶后，欧勒已经认识到，在有心力作用下，从一个 定点开始运动的物体，在它通过任意途径到达离辏力中心有同样距离的 任何位置时，其活力都相等。

活力守恒”实际上是能量守恒原理的一 个特殊情况 不过，“活力”在 1 8 世纪是被作为一个形而上学的概念使用的，在 实际的力学问题，特别是在关于机械效能的讨论中，人们更多地是采用 力与路程的乘积这个更具有力学直观性的量伽利略把力与路程的乘积 称为“短”从 1 9世纪 2 0年代起，在法国出版的一系列工程技术著作 中，“功”这上概念逐渐被确定为一个重要概念工程师彭塞利 （J ．V ．P o n c e l e t ，1 7 8 8 —1 8 6 7 ）在 1 8 2 9 年明确地推荐了“功”这一术语，定出其单位为千克·米，并提出了机械过程中的能量守恒的原理： 功的代数和的二倍等于活力之和；任何时候都不能从无中产生功或 活力，功和活力也不能转化为无科里奥利主张，活力应表示为，1 2mv2 因为这样一来，它在数值上就等于所能做出的功这样功这一概念，就 从机械效率的研究中引入了物理学 至于“能”的概念，最早是由约翰·伯努利在 1 7 1 7 年使用的1 8 0 7 年，英国物理学家托马斯·杨建议将 m v2称为能量，不过他的意见在很长时间里未能引起重视，科学家们仍然用“力”这个词来表示能量 2 ．“永动机”幻想的破灭 永动机之不可能实现，是导致能量原理建立的另一重要线索。

早期一个很著名的永动机设计方案， 是 1 3 世纪法国人亨内考 （V ． d e H o n n e c o u r t ）提出的“魔轮”他在一个轮子的边缘等距离地装上 1 2 根 活动杆，杆端装以重球他设想，当轮子转动起来后，由于右侧的垂球 离轮心更远，特别是重球向右甩出的作用，就会压使轮子永不停息地转 动下去但实际上轮子转动一两圈后就停了下来 后来，意大利的达·芬奇（1 4 5 2 —1 5 1 9 ）根据同样的原理，制造了 一个“重球永动机”，利用轮辐的特殊形状，使右边的球滚向轮子的边 缘，而左边的球会自动滚向中心本以为在两边重球的作用下会使轮子 失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的达·芬奇敏锐地由此 得出结论：永动机是不可能实现的但 1 7 世纪时，英国一个关在伦敦塔 下的犯人马尔基斯，却重新制造了一个类似的装置，转轮的直径大约 5米，内装 4 0个弯曲轮辐，每个轮辐间放一个重 2 5公斤的钢球他用这 个装置向国王查理一世作了表演，受到国王的嘉奖而特赦了他其实这 个转轮只能靠惯性维持短时间的运转 1 6 世纪 7 0 年代，意大利一个机械师斯特尔提出一个“螺旋汲水器永 动机”设计方案：由高处水槽中流出的水，冲击水轮机转动，在带动水 磨工作的同时，通过齿轮组带动螺旋汲水器，把流到下面蓄水池里的水 重新提升到上面的水槽中。

如此周而复始，整个系统就可以不停地运转 下去，并完成有效的工作一时间，形形色色的自动水轮机方案纷纷提 了出来，但是没有一个能把流到下面的水全都提升上去；所以，上水槽 的水很快流完了，机器也随之停转 1 7 世纪， 英国人维尔金斯把磁力和重力结合起来， 设计出了 “磁力— 重力永动机”如图所示，在立柱上端放一个大磁体，立柱旁边倚靠着 一个斜面和一个弧形轨道，斜面下放一个铁球，斜面上下各开一个可以 通过铁球的圆孔维尔金斯设想，由于大磁体的吸引，铁球会沿斜面滚 上去；当它滚到上面的圆孔处时，由于重力的作用会掉落下来，并沿着 弧形轨道滚向下方；由于惯性的作用，铁球会绕过弯曲的地方钻出下方 的圆孔，然后又被磁体吸引上去这样，铁球不就可以连续上下滚动了 吗？这个设想当然不可能实现因为，如果磁体的磁力特别强，可以把 铁球吸引上去，那么就不会让它再滚落下来的 层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了，以致法国科学院在 1 7 7 5 年作出决议，认为永动机是不 可能制成的，并严正声明：“本科学院以后不再审查有关永动机的一切 设计” 3 ．自然现象之间联系和转化的普遍发现（跳转 2 ） 1 8 世纪未到 1 9 世纪中叶，自然科学上一系列重大发现，广泛揭示了 各种自然现象之间普遍的联系和转化。

1 7 9 8 年伦福德的钻炮实验和 1 7 9 9 年戴维的摩冰实验， 证明了机械运 动向热的转化；而 1 8 世纪蒸汽机的发明与使用，又实现了热运动向机械 运动的转化 1 8 2 1 年塞贝克发现了温差电现象（热电偶），1 8 3 4 年珀尔帖又发现 了其逆效应，1 8 4 0 年焦耳定律的发现，都证明了电运动和热运动之间的 相互转化 摩擦起电机的发明和 1 8 2 1 年法拉第制成的“电磁转动器”，表明了 机械运动和电运动之间的转化 1 8 0 0 年伏打电堆的发明以及随后发现的电解现象，完成了电运动和 化学运动之间的转化 1 8 2 0 年奥斯特关于电流的磁效应的发现， 以及 1 8 3 1 年法拉第关于电 磁感应现象的发现，实现了电与磁之间的相互转化，是 1 9 世纪前半叶物 理学上最重大的成就之一 其他关于化学运动与热运动、化学运动与光运动、化学运动与生物 运动等转化现象，也先后被发现 自然科学上的这些发现，在哲学上也得到了反映 （跳转 3 ：自然界 广泛联系的哲学折射）德国哲学家黑格尔提出了各种自然现象之间联系 和转化的思想；谢林（F ．W ．J ．v o n S c h e l l i n g ，1 7 7 5 —1 8 5 4 ）进一步 断言，磁的、电的、化学的甚至有机现象，都会被编织成一个综合体系。

总之，到 1 9世纪 4 0年代前后，欧洲科学界普遍酝酿着一种思想氛 围，以一种联系的观点去观察自然现象正是在这样的条件下，以西欧 为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独 立地发现了能量守恒原理在这些天才人物中，迈尔、焦耳和赫姆霍兹 更是声誉卓著的佼佼者，对这一普遍原理的确立，作出了奠基性的贡献 （跳转 4 ） 二．迈尔—从自然哲学走到伟大定律面前的人（跳转 5 ） 1 8 4 0 年，德国青年医生罗伯特·迈尔（R ．M a y e r ，1 8 1 4 —1 8 7 8 ）在 一艘从荷兰驶往爪哇的船上作随船医生，他发现热带地方病员的静脉血 像动脉血一样鲜红；他还听船员们讲暴风雨后海水比较热这些现象促 使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化 1 8 4 1 年回国以后，他一直思考着这个问题据说有一天他和朋友在 马路上看到一辆四匹马拉的车奔驰而过，他问朋友马的拉力产生了什么 效果，朋友回答说使车子的位置了生了移动他反问说如果马拉车回到 原处呢？难道说马的拉力就没有任何效果了？他认为，马是靠食物的氧 化产生体力来拉车的，车又通过磨擦使路面和车轴发热，它们之间必然 有一种确定的关系。

在 1 8 4 2 年发表的《论无机界的力》的论文中，迈尔从“无不生有， 有不变无”和“原因等于结果”的哲学思考出发，并把物理上的“力” 和化学上的“物质”类比，由“物质不灭原理”得出“力是不灭的、可 转化的、无重量的客体”的结论在进一步的论述中，迈尔又提出了下 落力、运动力和热互为当量的思想，并强调了确定热的机械当量的必要 性他根据当时已知的气体的定压比热和定容比热的测定值，给出了 1 千卡= 3 6 5 千克米的结果 1 8 4 5 年，迈尔自费出版了《论有机运动与新陈代谢》在这篇论文 中，他首先肯定了力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律接着迈 尔考察了五种不同形式的“力”，即“运动的力”、“下落力”、“热”、 “电”和“化学力”，描述了运动转化的二十五种情况，作出了否定热 质和其他无重流质的结论他根据当气体的温度发生确定的变化时，定 压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的事实，计算出热功当 量的数值为 J = 3 6 7 千克米/ 千卡，相当于 J = 3 . 4 8 焦耳/ 卡这个计算方法 实际上就是后来所说的迈尔公式 CP- CV= R 的另一种形式 迈尔还把自然力的转化与守恒的原理推广到生物机体中，指出了在 机体内发生着化学力转化为其他自然力的复杂过程，并说明地球上的各 种力都是太阳供给的，如植物把太阳的光和热转化为化学力，动物通过 消化食物又把这种化学力转化为体热和肌肉运动的机械力。

（跳转 6 ） 三．焦耳—用精密实验给定律奠定坚实基础的第一人（跳转 7 ） 焦耳（J ．P ．J o u l e ，1 8 1 8 —1 8 8 9 ）是曼彻斯特一个酿酒商的儿子和 业余科学家很早就关心各种物理力的转化问题 焦耳注意到电机和电路中的发热现象，促使他对电流的热效应进行 了定量实验，1 8 4 0 年得出了著名的焦耳定律 焦耳想到，磁电式发电机的感生电流应该与来自化学电源的电流一 样地产生热效应他使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流， 线圈放在量热器内这个实验完全证实了热可以由磁电机产生焦耳从 这个实验立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定 的当量关系这样，“探求热和失去或得到的机械功之间是否有一个恒 定的比值，就成了十分有意义的课题”焦耳在磁电机线圈的转轴上绕 两条细线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码，由砝码的重量和下落 距离可以计算出所作的功他共做了十三组实验，得出了一个平均结果： “能使 1磅水的温度升高华氏 1度的热量，等于（并可转化为）把 8 3 8 磅重物提升 1英尺的机械功这个值相当于 4 6 0千克米／千卡这个 结果被总结到他 1 8 4 3 年 8月 2 1日宣读的《论磁电的热效应和热的机械 值》论文中。

1 8 4 4 年，焦耳又做了测定空气在压缩和膨胀时产生的热量变化的实 验，求得了热功当量的平均值 7 9 8 磅码／英热单位 1 8 4 7 年 6 月，在牛津举行的英国科学促进协会的会议上，焦耳争取 到了简单介绍他的最新实验的机会焦耳报告了他用砝码下落带动铜制 的翼轮分别搅动水、鲸脑油和水银的实验，分别测得热的机械当量为 7 8 1 . 5 磅码／英热单位， 7 8 2 . 1 磅码／英热单位和7 8 7 . 6 磅码／英热单位 这个报告由于受到当时已很有名气的青年物理学家 W ．汤姆逊 （W ．T h o m s o n ）从热质说观点提出的质询而引起了人们的注意后来， 焦耳继续进行摩擦生热的实验 1 8 4 9 年 6 月 2 1 日，他通过法拉第把论文 《论热的机械当量》送交皇家学会在这篇论文中，焦耳全面地整理了 他用摩擦水、水银和铸铁的方法测定热功当量的实验结果，最后得出两 个重要结论： “第一，由物体（不论固体或液体）的摩擦所产生的热量总是与所 消耗的力之量成正比； 第二，要使 1 磅水（在真空中和 5 5 °F —6 0 °F 时。