如何證明能量守恒定律？

熱心網(wǎng)友：該理論是在總結(jié)大量的事實(shí)后概括出來(lái)的，其含蓋的內(nèi)容非常廣泛，是整個(gè)大自然的基本規(guī)律之一，所以是無(wú)法用一個(gè)單一的實(shí)驗(yàn)證明的。

熱心網(wǎng)友：能量守恒定律世界是由運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)組成的.物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣.并在不斷相互轉(zhuǎn)化正是在研究運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化的過(guò)程中.人們逐漸建立起了功和能的概念能是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普遍量度.而功是能量變化的量度. 這種說(shuō)法概括了功和能的本質(zhì).但哲學(xué)味道濃了一些在物理學(xué)中.從19世紀(jì)中葉產(chǎn)生的能量定義:[能量是物體做功的本領(lǐng)".一直延用至今但近年來(lái)不論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi).物理教育界卻對(duì)這個(gè)定義是否妥當(dāng)展開過(guò)爭(zhēng)論于是許多物理教材.例如現(xiàn)行的中學(xué)教材.都不給出能量的一般定義.而是根據(jù)上述定義的思想.即物體在某一狀態(tài)下的能量.是物體由這個(gè)狀態(tài)出發(fā).盡其所能做出的功來(lái)給出各種具體的能量形式的操作定義(用量度方法代替定義). 能量概念的形成和早期發(fā)展.始終是和能量守恒定律的建立過(guò)程緊密相關(guān)的由于對(duì)機(jī)械能.內(nèi)能.電能.化學(xué)能.生物能等具體能量形式認(rèn)識(shí)的發(fā)展.以及它們之間都能以一定的數(shù)量關(guān)系相互轉(zhuǎn)化的逐漸被發(fā)現(xiàn).才使能量守恒定律得以建立這是一段以百年計(jì)的漫長(zhǎng)歷史過(guò)程隨著科學(xué)的發(fā)展.許多重大的新物理現(xiàn)象.如物質(zhì)的放射性.核結(jié)構(gòu)與核能.各種基本粒子等被發(fā)現(xiàn).都只是給證明這一偉大定律的正確性提供了更豐富的事實(shí)盡管有些現(xiàn)象在發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)似乎形成了對(duì)這一定律的沖擊.但最后仍以這一定律的完全勝利而告終. 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們.盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化.但這種變化決不是沒(méi)有約束的.最基本的約束就是守恒律也就是說(shuō).一切運(yùn)動(dòng)變化無(wú)論屬于什么樣的物質(zhì)形式.反映什么樣的物質(zhì)特性.服從什么樣的特定規(guī)律.都要滿足一定的守恒律物理學(xué)中的能量.動(dòng)量和角動(dòng)量守恒.就是物理運(yùn)動(dòng)所必須服從的最基本的規(guī)律與之相較.牛頓運(yùn)動(dòng)定律.麥克斯韋方程組等都低了一個(gè)層次. 定律內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生.也不會(huì)憑空消失.它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式.或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體.在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變.能量守恒定律如今被人們普遍認(rèn)同.但是并沒(méi)有嚴(yán)格證明.1)自然界中不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng):物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能.分子運(yùn)動(dòng)具有內(nèi)能.電荷的運(yùn)動(dòng)具有電能.原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等等.(2)不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化:[摩擦生熱是通過(guò)克服摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,水壺中的水沸騰時(shí)水蒸氣對(duì)壺蓋做功將壺蓋頂起.表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,電流通過(guò)電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等".這些實(shí)例說(shuō)明了不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化.且是通過(guò)做功來(lái)完成的這一轉(zhuǎn)化過(guò)程.(3)某種形式的能減少.一定有其他形式的能增加.且減少量和增加量一定相等.某個(gè)物體的能量減少.一定存在其他物體的能量增加.且減少量和增加量一定相等.能量守恒的具體表達(dá)形式保守力學(xué)系統(tǒng):在只有保守力做功的情況下.系統(tǒng)能量表現(xiàn)為機(jī)械能(動(dòng)能和位能).能量守恒具體表達(dá)為機(jī)械能守恒定律. 熱力學(xué)系統(tǒng):能量表達(dá)為內(nèi)能.熱量和功.能量守恒的表達(dá)形式是熱力學(xué)第一定律. 相對(duì)論性力學(xué):在相對(duì)論里.質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變.計(jì)及質(zhì)量改變帶來(lái)能量變化.能量守恒定律依然成立.歷史上也稱這種情況下的能量守恒定律為質(zhì)能守恒定律.能量守恒定律的重要意義能量守恒定律.是自然界最普遍.最重要的基本定律之一.從物理.化學(xué)到地質(zhì).生物.大到宇宙天體.小到原子核內(nèi)部.只要有能量轉(zhuǎn)化.就一定服從能量守恒的規(guī)律.從日常生活到科學(xué)研究.工程技術(shù).這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用.人類對(duì)各種能量.如煤.石油等燃料以及水能.風(fēng)能.核能等的利用.都是通過(guò)能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的.能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器. 小醫(yī)生與啤酒匠發(fā)現(xiàn)科學(xué)新理--能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)能量守恒和能量轉(zhuǎn)化定律與細(xì)胞學(xué)說(shuō).進(jìn)化論合稱19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn).而其中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn).卻是和一個(gè)[瘋子"醫(yī)生聯(lián)系起來(lái)的.這個(gè)被稱為[瘋子"的醫(yī)生名叫邁爾(1814-1878).德國(guó)人.1840年開始在漢堡獨(dú)立行醫(yī).他對(duì)萬(wàn)事總要問(wèn)個(gè)為什么.而且必親自觀察.研究.實(shí)驗(yàn).1840年2月22日.他作為一名隨船醫(yī)生跟著一支船隊(duì)來(lái)到印度尼西亞.一日.船隊(duì)在加爾各達(dá)登陸.船員因水土不服都生起病來(lái).于是邁爾依老辦法給船員們放血治療.在德國(guó).醫(yī)治這種病時(shí)只需在病人靜脈血管上扎一針.就會(huì)放出一股黑紅的血來(lái).可是在這里.從靜脈里流出的仍然是鮮紅的血.于是.邁爾開始思考:人的血液所以是紅的是因?yàn)槔锩婧醒?氧在人體內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量.維持人的體溫.這里天氣炎熱.人要維持體溫不需要燃燒那么多氧了.所以靜脈里的血仍然是鮮紅的.那么.人身上的熱量到底是從哪來(lái)的?頂多500克的心臟.它的運(yùn)動(dòng)根本無(wú)法產(chǎn)生如此多的熱.無(wú)法光靠它維持人的體溫.那體溫是靠全身血肉維持的了.而這又靠人吃的食物而來(lái).不論吃肉吃菜.都一定是由植物而來(lái).植物是靠太陽(yáng)的光熱而生長(zhǎng)的.太陽(yáng)的光熱呢?太陽(yáng)如果是一塊煤.那么它能燒4600年.這當(dāng)然不可能.那一定是別的原因了.是我們未知的能量了.他大膽地推出.太陽(yáng)中心約2750萬(wàn)度(現(xiàn)在我們知道是1500萬(wàn)度).邁爾越想越多.最后歸結(jié)到一點(diǎn):能量如何轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移)?他一回到漢堡就寫了一篇<論無(wú)機(jī)界的力>.并用自己的方法測(cè)得熱功當(dāng)量為365千克米/千卡.他將論文投到<物理年鑒>.卻得不到發(fā)表.只好發(fā)表在一本名不見(jiàn)經(jīng)傳的醫(yī)學(xué)雜志上.他到處演說(shuō):[你們看.太陽(yáng)揮灑著光與熱.地球上的植物吸收了它們.并生出化學(xué)物質(zhì)--"可是即使物理學(xué)家們也無(wú)法相信他的話.很不尊敬地稱他為[瘋子".而邁爾的家人也懷疑他瘋了.竟要請(qǐng)醫(yī)生來(lái)醫(yī)治他.他因不被人理解.終于跳樓自殺了.和邁爾同時(shí)期研究能量守恒的還有一個(gè)英國(guó)人--焦耳(1818-1889).他自幼在道爾頓門下學(xué)習(xí)化學(xué).數(shù)學(xué).物理.他一邊經(jīng)營(yíng)父親留下的啤酒廠.一邊搞科學(xué)研究.1840年.他發(fā)現(xiàn)將通電的金屬絲放入水中.水會(huì)發(fā)熱.通過(guò)精密的測(cè)試.他發(fā)現(xiàn):通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方.導(dǎo)體的電阻和通電時(shí)間成正比.這就是焦耳定律.1841年10月.他的論文在<哲學(xué)雜志>上刊出.隨后.他又發(fā)現(xiàn)無(wú)論化學(xué)能.電能所產(chǎn)生的熱都相當(dāng)于一定功.即460千克米/千卡.1845年.他帶上自己的實(shí)驗(yàn)儀器及報(bào)告.參加在劍橋舉行的學(xué)術(shù)會(huì)議.他當(dāng)場(chǎng)做完實(shí)驗(yàn).并宣布:自然界的力(能)是不能毀滅的.哪里消耗了機(jī)械力(能).總得到相當(dāng)?shù)臒?可臺(tái)下那些赫赫有名的大科學(xué)家對(duì)這種新理論都搖頭.連法拉第也說(shuō):[這不太可能吧."更有一個(gè)叫威廉·湯姆孫(1824-1907)的數(shù)學(xué)教授.他8歲隨父親去大學(xué)聽(tīng)課.10歲正式考入該大學(xué).乃是一位奇才.而今天聽(tīng)到一個(gè)啤酒匠在這里亂嚷一些奇怪的理論.就非常不禮貌地當(dāng)場(chǎng)退出會(huì)場(chǎng).焦耳不把人們的不理解放在心上.他回家繼續(xù)做著實(shí)驗(yàn).這樣一直做了40年.他把熱功當(dāng)量精確到了423.9千克米/千卡.1847年.他帶著自己新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)又來(lái)到英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議現(xiàn)場(chǎng).在他極力懇求下.會(huì)議主席才給他很少的時(shí)間讓他只做實(shí)驗(yàn).不做報(bào)告.焦耳一邊當(dāng)眾演示他的新實(shí)驗(yàn).一邊解釋:[你們看.機(jī)械能是可以定量地轉(zhuǎn)化為熱的.反之一千卡的熱也可以轉(zhuǎn)化為423.9千克米的功--"突然.臺(tái)下有人大叫到:[胡說(shuō).熱是一種物質(zhì).是熱素.他與功毫無(wú)關(guān)系"這人正是湯姆孫.焦耳冷靜地回答到:[熱不能做功.那蒸汽機(jī)的活塞為什么會(huì)動(dòng)?能量要是不守恒.永動(dòng)機(jī)為什么總也造不成?"焦耳平淡的幾句話頓時(shí)使全場(chǎng)鴉雀無(wú)聲.臺(tái)下的教授們不由得認(rèn)真思考起來(lái).有的對(duì)焦耳的儀器左看右看.有的就開始爭(zhēng)論起來(lái).湯姆孫碰了釘子后.也開始思考.他自己開始做試驗(yàn).找資料.沒(méi)想到竟發(fā)現(xiàn)了邁爾幾年前發(fā)表的那篇文章.其思想與焦耳的完全一致!他帶上自己的試驗(yàn)成果和邁爾的論文去找焦耳.他抱定負(fù)荊請(qǐng)罪的決心.要請(qǐng)焦耳共同探討這個(gè)發(fā)現(xiàn).在啤酒廠里湯姆孫見(jiàn)到了焦耳.看著焦耳的試驗(yàn)室里各種自制的儀器.他深深為焦耳的堅(jiān)韌不拔而感動(dòng).湯姆孫拿出邁爾的論文.說(shuō)道:[焦耳先生.看來(lái)您是對(duì)的.我今天是專程來(lái)認(rèn)錯(cuò)的.您看.我是看了這篇論文后.才感到您是對(duì)的."焦耳看到論文.臉上頓時(shí)喜色全失:[湯姆孫教授.可惜您再也不能和他討論問(wèn)題了.這樣一個(gè)天才因?yàn)椴槐蝗死斫?已經(jīng)跳樓自殺了.雖然沒(méi)摔死.但已經(jīng)神經(jīng)錯(cuò)亂了."湯姆孫低下頭.半天無(wú)語(yǔ).一會(huì)兒.他抬起頭.說(shuō)道:[真的對(duì)不起.我這才知道我的罪過(guò).過(guò)去.我們這些人給了您多大的壓力呀.請(qǐng)您原諒.一個(gè)科學(xué)家在新觀點(diǎn)面前有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)得很無(wú)知的."一切都變得光明了.兩人并肩而坐.開始研究起實(shí)驗(yàn)來(lái).1853年.兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述.

熱心網(wǎng)友：這是通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)后推斷出來(lái)的，不能完全證明出來(lái)

熱心網(wǎng)友：你物理沒(méi)學(xué)好吧？問(wèn)問(wèn)老師

熱心網(wǎng)友：

微分幾何

熱心網(wǎng)友：物理學(xué)科是由一般到特殊，得出結(jié)論，并在實(shí)踐中加以應(yīng)證的。是一個(gè)猜想歸納的過(guò)程，有點(diǎn)像數(shù)學(xué)中的歸納法。希望對(duì)你有幫助。