你对能量知多少?(上)

“你的能量超乎你想象。”一句广告词拉近了我们与能量的距离,然而我们真的了解能量吗?

1、能量概念的起源

在人类进化到会使用风力、水力等自然力量后,此后很长的时间内,人类只有步履蹒跚地前行,不断探索与发现,祈求得到大自然更多的眷顾。直到17世纪德国通才莱布尼茨的出现,难以置信的改变发生了。莱布尼兹提出“活力”的想法,并且思考如果能够驾驭“活力”,会给人类提供巨大的力量。这是多么远大的预见!

能量这个词是托马斯·杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的,针对当时的“活力”的观点,提出用“能量”这个词表述,并和物体所作的功相联系,但未引起重视,人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年法国学者科里奥利又引进了做功的概念,并且在“活力”前加了1/2系数,称为动能,通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能”,1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后,人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。

2、能量是什么

人类的任何活动都离不开能量,自然界中的一切现象都对应着一定的能量形式,能量对于科学事业和日常生活有着巨大的影响。但要用一句话说清楚能量是什么却非易事。

拿伽利略的斜面实验来看。小球从斜面A上一点向下滚落,在斜面的底部,小球由于惯性将继续滚上斜面B。无论斜面B的倾角比斜面A的大还是小,小球都会在斜面B上某点速度变为零。如果摩擦力和空气阻力小到可以忽略,此点距水平面的垂直高度与起始点距水平面的垂直高度是相同的,好像小球“记得”原来的高度。然而“记得并不是物理学的语言,后来物理学家把这个事实称为“某个量是守恒的”,并且把这个量叫作能量。

例子说完了,那么能量是什么?好像还是一头雾水,是吧?!能量是一个最抽象的概念,它不是对某种机制或者具体事物的描写,而是一件奇怪的事实。对此,物理学家费曼有个很好的类比:小朋友丹尼房间里有30个积木,母亲每晚清点。有几个积木无论是藏在地毯下面,或丢在窗户外面,或其他小朋友带走,最终其数量总和是不变的。这件事情和能量守恒有什么相似呢?除去这个场景中最显著的一点就是,根本没有积木。

我们不能把能量想象成为一定数量的颗粒物形式,即不能把能量理解为某种东西的计数,而是看作数学的量。

3、功是能的量度

在认识能量的历史过程中,人类建立了功的概念。能量藏在背后,但做功能体现能量。

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