能量守恒定律发现的历程

引言能量守恒定律的发现历经了几个世纪,一大批著名物理学家为此做出贡献,利用这一定律能解决许多实际问题,例如否定永动机的存在,为不同能量之间的转化提供理论支持等等.因此,对能量守恒定律的研究无论在理论上还是在实际上都很重要.1.能量守恒定律发展的主要历程以及为此做出主要贡献的科学家1.1 德国的罗伯特迈尔通过对动物热的研究二发现能量守恒罗伯特迈尔生于德国的海尔布隆，他的父亲是位药剂师，在父亲的影响下，他走上了学医的道路，1840年到1841年初，迈尔在一艘海轮上为了几个月随船医生，这段船上的生活虽然不长，却开阔了迈尔的视野，激发了他的科学联想，更重要的是，这段历程使他从医学的途径得出了能量守恒的结论，位海轮驶经热带海域时，很多船员患了肺炎，在医治中迈尔发现，他们的静脉血不像生活在热带国家的人的静脉血那样暗淡，而是像动脉血那样鲜艳。

当地医生告诉他这种现象在当地是到处可见的他还听海员说，下雨时海水比较热，看到这些现象迈尔想到食物中含有化学能，它可以转化为热，在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中少许的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，应此静脉血中留下了较多的氧。

迈尔还认为，除了人体体热来自食物转化而来的化学能之外，人体动力也来自同一能源。

1841年初，迈尔结束了海轮上的行医生活，回到了海尔布隆，工作之余他对自己在海轮上的发现继续进行研究，写成了一篇题为《论力的量和质的测定》的论文，投给德国当时最具权威性的刊物《物理学和化学年检》，但是该杂志的主编根道夫十分厌恶黑格尔的思辨哲学，他认为迈尔的文章引进了思辨的内容和缺少精确的实验，迈尔在初次受挫之后，并不气馁，继续努力，后来他又写成《论无机界的力》一文。

这篇文章在1842年5月被一向注意各种自然力的著名化学家李比希发表于他主编的《化学和数学》的刊物上，在这篇文章中，迈尔从”无不生又，有不生物”原因等于结果等哲学观念出发，表达了物理，化学过程中力的守恒的思想。

能量守恒定律的发展脉络
1. 18世纪初，意大利科学家普列蒙提利提出“亚当力学”，认
为自然界中的所有现象都是由“运动力学”（即机械作用）引起的。

2. 19世纪初，德国物理学家荷尔巴赫提出了能量守恒的概念，并且提出了“能量守恒定律”，即在任何时候，能量的总量都保持不变。

3. 1851年，英国物理学家杨·傅里叶提出了热力学第一定律，
即能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。

4. 1857年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出了能量守恒定律的数学形式，即能量守恒方程式。

5. 在20世纪初，爱因斯坦提出了质能等价原理，并开创了现
代物理学的时代。

6. 在20世纪中，量子力学和相对论在能量守恒定律的理解中
发挥了重要作用，表明在原子和奇异的物质状态下，传统的能量守恒定律可能不再适用。

7. 当今，人类已经在不断深入探索宇宙和自然界的规律，对能量守恒定律的理解也在逐渐演变和发展。

能量守恒定律的发现热力学第一定律是在人类积累的经验和大量的生产实践、科学实验基础上建立起来的。

首先是德国医生迈尔（Robert Mayer，1814～1878）和英国物理学家焦耳（Janes Prescott Joule，1818～1889）各自通过独立地研究做出了相同的结论。

迈尔于1845年出版的《论有机体的运动和新代》一书，描述了运动形式转化的众多情况。

焦耳直接求得热功当量的数值，给能量守恒和转化定律奠定了坚实的实验基础。

1847年亥姆霍兹（Hermann Helmholtz，1821～1894）在有心力的假设下，根据力学定律全面论述了机械运动、热运动以及电磁运动的“力”互相转换和守恒的规律。

在这段历史时期，由于蒸汽机的制造、改进和广泛采用，以及对热机效率、机器中摩擦生热问题的研究，对热力学第一定律的建立起到了推波助澜的作用。

1、能的概念的形成法国物理学家笛卡尔（R．Descartes，1569～1650）最早提出“运动量”守恒（即动量守恒）的思想。

他给人们留下最深刻的印象是：一个粒子体系在不受外力作用时，它们的总运动量保持不变；粒子相互碰撞产生的力通过它们的运动量的改变来量度。

不久，德国物理学家莱布尼兹（G．W．F．Leibniz，1646～1716）对笛卡尔提出挑战，他引入“活力”（Vis Viva）的概念。

他所指的“活力”，是物体的质量与它的速度的平方之积，是一个标量；而笛卡尔的“运动量”是矢量。

莱布尼兹认为“活力”才是“力”的真正量度；物质受的力和它所通过的距离之积等于活力的增量。

莱布尼兹的“活力”实质相当于物体的动能，其数值等于动能的两倍。

后来J．伯努利（J．Bernoulli，1667～1748）将“活力守恒”当作莱布尼兹的“活力”原理的一个推论提出，他认为当活力消失后，它并没有丧失作功的本领，而是变成了另一种形式。

显然，J．伯努利扩大了莱布尼兹的“活力”所指的围，把势能也列入了活力的畴。

能量概念的发展及能量守恒定律的发现能量是物质运动的一种量度，是人们认识客观世界的主要对象之一。

19世纪中期发现的能量守恒定律表明能量是个守恒量，它可以由一种形式转化为另一种形式。

能量守恒定律深刻地揭示了各种形式能量的相互联系和自然界的统一性，被恩格斯称为伟大的运动基本定律，19世纪自然科学三大发现之一。

[1]能量守恒定律的发现以及能量概念的形成经历了漫长的历史过程，它是人类在生产实践和科学实验的基础上对自然界的运动转化长期认识的结果。

从研究机械能守恒到得出广义的能量守恒定律其间经历了大约一百五十年的孕育时期。

从历史上考察，能量原理是从力学留传下来的。

意大利物理学家伽利略(Galileo，1564—1642)在1638年出版的《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》(简称《两门新科学》)中，讨论了自由落体运动和物体沿斜面的运动，提出了这样的假设：静止的物体不论是沿竖直方向自由下落还是沿不同倾斜度的斜面从同一高度下落，它们到达末端时具有相同的速度，这就是“等末速度假设”。

[2]伽利略利用一个简单的实验检验了这个假设。

摆球沿圆弧运动可看作是沿着一系列不同倾斜度的斜面的下落和上升运动。

实验表明：使单摆由一侧开始摆动，当它经过最低点而到另一侧时，会升到几乎相同的高度，如果摆线中途为钉子E或F等所阻，则摆球将沿新的弧线上升，但仍达到相同的高度。

这说明沿不同倾斜度的斜面对于下落速度没有任何影响。

[2]物体下降时所得的速度正好等于能够把它送到原来高度的那个速度，一个物体下降的速度只决定于下降的竖直高度而与下降时实际经过的路程的形状无关。

伽利略的这个假设为后来揭示重力场的保守性，即在重力场作用下物体的机械能守恒开了先河。

德国数学家、哲学家莱布尼兹(G.W.Leibniz,1646—1716)提出了“活力”概念及“活力”守恒原理。

1686年，莱布尼兹在他的论文《关于笛卡尔和其他人在确定物体的运动力中的错误的简要论证》中提出mv不宜作运动的原动力的量度，应把mv2作为原动力的量度。