传统物理中两种能量的概念与观念首页

志勰


    能量的概念在传统物理学中存在两种定义并导致两种能量的观念的并存。

  一、  在机械运动中表现为如下两种形式

    1、动能的定义——(1/2)mv2=FS

  2、功率的定义——w/t=Ft/t

       第一种能量所具有的含义是给一个物体施加一定的力并通过一定的距离。在有摩擦力存在的情况下,它表示移动物体所付出的能量计量数量。在没有摩擦力存在的情况下,它表示给物体施加一定的力通过一定的距离物体运动状态改变的能量计量数量。这两种表述方法具有等效性。

        第二种能量所具有的含义实在做功过程中(或等效的描述为改变物体的存在状态)单位时间内所付出的能量计量数量。它是功率的概念,表示单位时间所作的功。

    单位时间所作的功和总的时间所作的功在功的概念上应该是没有区别的,如果存在区别,那么,就不能通用功这一概念进行描述。因此,不管它是功率也好,功也好。它所描述的能量的本体应该是相同的。在相同的两种描述本体中,能量基本的本体是不同的,针对于第一种,通常我们把它叫做动能。第二种能量形式,通常我们把它叫做功率,其实,在单位时间着一定一范围,它和力所描述的意义等价的。

二、两种能量的意义

   两种能量的定义虽然赋予一定的物理意义,表现总能量和单位时间内的能量。或者单位时间和可作为确定单位时间内的能量,但是这一概念是存在矛盾的。

    能量的这两种存在形式,主要针对物质存在状态的特点进行区分。

    第一种定义是作用力于作用距离的乘积。这一概念是比较传统的,它具有这样的意义和特点。给一个物体施加一定作用力,并移动一定的距离。这一概念的产生是来源于几百年以前,对于日常生活中的宏观物体与力的关系,它基本上反映了这一特点。
       但是,它并不是严格的,在空间中没有受到外界摩擦力作用的的物体,严格的力与物体作用距离成绩的这一意义是不能成立的。因为即使没有外力的作用,物体仍然运动下去,我们就不能采用距离作为能量构成的概念之一进行计量了。在这种情况下,能量可以转换成相应的表达形式——(1/2)mv2
  ,这样在物理的数量关系上来说是等效的。

    第二种定义是改变物体存在状态的作用力与单位时间的乘积。在某种意义上来说,它是单位时间内作用力的大小。

   从如上来看,两种能量概念存在本质上的不同。

三、两种能量单位的应用

   如上我们所讨论的这两种能量概念至少来源于一百五十年以前的证明能量守恒定律成立以前的那个时代。在能量对物质世界的解释上,主要是应用于宏观的机械运动。(虽然能量概念远在很早以前就已经产生了,但是由于当时人们对科学探讨的很有限的范围,对物质运动变化主要局限于宏观的物体)通过引入两种不同的能量单位,在机械运动范围内,传统的能量概念在对物质运动变化的描述上,是让人满意的。(限于机械运动的模式)

   随着人类对物质世界认识的进一步深入,原有的能量概念已经不能胜任对物质微观世界的描述。主要表现在对物质微观运动变化的解释中。如摩擦生热,热机做功的过程中的能量转换等于物质微观运动变化相关的过程。同时,原有能量概念所描述的物质运动变化的对象也很难找到物理量间的对应关系,在当时原有的对科学认识的基础上,不能将物质运动变化表达成有基本物理量构成的统一的关系,这就是能量守恒定律建立的前夕。

   在现在人们对能量守恒定律建立过程的考擦中发现,能量在当时并非由当时科学家独自发现,而是不同领域、不同科学家、不同地点在一个时代几乎是同时发现的,似乎是某个时代所特有的产物。实际上,由于当时的科学对电磁领域和光学认识的进一步发展,对物质结构的进一步深入——工业革命所导致的热学的发展。不能寻找一种有效的对物质运动变化的解释原理是分不开的。当时的科学不能采用机械运动的方法去寻找物质运动最根本的原理解释,于是,当时很多科学家就转向另一种观念。建立支配物质运动变化过程的另一种描述方式,即:寻找物质的运动变化过程等效的另一种描述,也就是运动的不灭原理——能量守恒和转化定律。

    能量守恒关系的建立,从物质运动变化的关系上解释了这个问题。在不同种物质运动变化的形式上,如热学、电学、电磁学、化学、原子物理等等一些相关的科学建立等量的关系,采取的方法就是采用试验的方法进行理论与实验的对应。正是这样,实验科学就得以获得了前所未有的发展。

    能量是使物质运动状态发生改变的原因,基于这样一个特点,能量概念的本身在科学中具有普适性。任何一个物理科学领域,一个研究物质运动变化的科学领域都不能脱离能量的概念。

   传统的科学体系和人们现在所使用的科学体系,都未能给出能量严格科学的定义,这个说法是建立这样一个事实中——在物质的运动变化中,能量和物质存在状态的关系是统一的,但是在不同的科学领域所建立的能量观念在形式上是统一的,都是采用能量的说法,但在物理概念的内涵上并没有统一。如:机械运动中两种能量概念间的协调、基本粒子物理中的质能关系的协调,甚至在形式上也存在协调——热能单位卡和机械功焦耳的协调,当然,在人们的通用单位中是使用通用的单位焦耳。并采用试验的方法建立不同能量间的协调关系。

四、能量的概念

   能量是物质相对存在状态间相互作用的某种量度,这一点在科学中具有普适性。这是我们所不能逃避的问题。如何建立合理的能量概念间的定义,这需要不同物理科学领域中物质所共有的特性。以便建立一个合理的能量概念体系。

   (关于本文中引起物质运动变化实际的运动变化途径,在机械运动中您可以参阅“机械运动的能量体系,在电磁理论和原子论中也有相关的描述,只是并未能单独的进行说明,也可以参阅本栏目中其它的解释性的看法)

                                                               2000.3.19