通过能量守恒现象理解能量守恒定律

黄天澍

【中图分类号】O4. 413 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）18-0068-02

能量是物体的一种属性，它能改变物体的位置、运动状态或者周围的环境。能量可以从一种形式转化为另一种形式，而总能量保持恒定不变。能量守恒定律作为自然界的一个普遍规律，是高中物理学习的一个重要内容，同时也是容易出现理解障碍的部分。我与周围同学的切身体会是，学习能量守恒定律的主要困难不在于记忆它的公式，甚至也不在于运用公式来解决实际生活中的例题，而在于如何理解能量守恒定律本身，如何从思想上毫无障碍地接受这样一个规律，真正弄清楚这个定律是怎么来的。通过学习教科书和查阅资料知道，这个定律是迈尔、焦耳、亥姆霍兹、克劳修斯和开尔文等科学家对人类经验的总结，它不是从其它原理推出来的，不能用任何别的原理来证明。因此，为了能够更好地理解这个定律的原因，我们最好从能量守恒现象入手，通过考察能量守恒现象来领会能量守恒定律。

一、能量守恒现象

现象一：将一块石头和地球看作一个系统，让石头从1米高处下落，做自由落体运动。石头在开始的时候处于静止状态，在正要下落的瞬间，它只具有势能。当它落下时，它的势能随着高度的减小而减小，同时它的动能不断增加。如果忽略不计摩擦力，势能与动能之和保持不变。当石头刚要接触地面时，它的所有势能就转变成了动能。

现象二：将单摆和地球看作一个系统，选择单摆静止时摆锤所处的最低点的高度作为参考面。我们用手把摆锤拉到某一高度，则这个力做了功，给了系统一个机械能。在松开摆锤的瞬间，摆锤的全部能量都以势能的形式出现，当摆锤向下摆动的过程中，势能逐渐变成动能。当摆锤处于最低点的时候，它的重力势能为零，而动能等于系统的总机械能。如果没有摩擦，系统的总机械能保持恒定。

从这两个以及类似的现象，我们能够近似地观察到能量守恒定律。在一个封闭的系统里，能量既不能被创造，也不能被消灭。能量可以从一种形式转化为另一种形式，但系统中能量的总量保持不变。

二、能量守恒的边界范围

如果我们进一步仔细观察，会发现生活中的这些能量守恒现象似乎并不守恒。例如，在地球与乒乓球组成的系统中，我们让一个乒乓球从距离地面1米高处下落，乒乓球的势能转化成了动能，落地后从地上反弹时动能又转化成势能，但是乒乓球却不会达到原来的高度，而是越来越低，经过一段时间之后，乒乓球完全停止了跳动。在全部时间里，动能与势能的总和不是恒定的，而是越来越少。类似的例子还有很多，例如，我们用力拨动钟摆，它的擺动幅度会越来越窄，经过一段时间之后完全停止。

我们继续重复三次上述乒乓球自由落体运动。第一次让乒乓球落在光滑的玻璃上，我们看到乒乓球初次弹起的高度接近它的初始高度，弹跳的次数较多，持续的时间较长。第二次让乒乓球落在水泥地面上，它初次弹起的高度就低一些，弹跳的次数比第一次少一些，持续的时间也短一些。第三次让乒乓球落在细沙上，它几乎不弹起。这些试验表明，乒乓球的能量流失与它落地后触到的物体有关。物体与乒乓球的摩擦力会减缓它的运动。不同的物体与乒乓球产生的摩擦力不同，造成它的动能与势能的减少程度不同。所以必须把乒乓球、地球和地面的物体共同看成一个系统，才可能解释能量守恒。事实上，乒乓球在空气中运动还受到空气阻力的作用，乒乓球的势能在下落时并没有全部转化成动能，部分能量转化成了热能和声能。所以，要准确计算乒乓球下落运动中的能量守恒，还要把空气也计入系统。由此可见，我们必须确定哪些物体构成了这样一个系统，确定这个系统内所有的能量转化形式，才能弄清楚能量是否守恒。如果不清楚系统的边界范围以及所有的能量转化形式，运用能量守恒定律就会出现错误。

三、能量守恒的参考面设置

在一个封闭系统里，能量守恒不等于系统内各种能量的数值恒定不变。例如，在自由落体运动中，参考面的设置不同，系统内势能的能量值是不同的。在上述乒乓球自由落体运动中，如果我们以乒乓球下落的终点即地面为参考面，乒乓球的高度便是从地面开始测量。因此，当一个0.05N的乒乓球在地面时，高度h=0m，重力势能Ep=OJ。系统的重力势能在下落的终点为零，在下落的最高点即1米高处为最大值0.05J。如果我们以乒乓球下落的最高点为参考面，在这一点上，高度h=0m，重力势能Ep=OJ。系统的重力势能在最高点为零，而在下落的终点是负值即-0.05J。不过，在这每种情况下，在乒乓球运动的全部时间里，系统的总能量都是恒定的。

四、能量守恒的近似性

在我们对这些能量守恒现象进行观察和测量的过程中，我们注意到即使在一个封闭的系统中能量也只是近似地守恒，而非完全守恒。这是因为除了整个宇宙之外，世界上从来没有一个绝对封闭的系统，每一个系统都与其周围的环境进行着物质和能量的交换。如果说能量守恒是一个系统变化前后系统整体的总能量守恒，系统内局部的能量不可能完全守恒，那么严格说来，绝对的能量守恒现象在我们经验到的世界里并不真正存在，它是科学家对人类经验进行理想化的抽象的结果。但是，这并不意味着能量守恒定律是错误的，更不能说它是无用的。平面几何学中没有大小的点、只有长度而没有宽度的线、只有长宽而没有厚度的面，也是思想的产物，在自然中并不存在，但是由这些概念所构成的几何学知识却对人类非常有用。同样，科学家从经验中抽象出的能量守恒定律也帮助人类解决了生产和生活中的许多难题，还会在将来帮助人类解决更多的难题。