能量形式概念是错误的吗

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1、“能量形式 ”概念是错误的吗 ?教 学 研 究张三慧(清华大学物理系 ,北京100084 )(收稿日期 : 2011 201 219 )偶翻物理与工程 杂志 2010年第 6 期 ,发现一篇文章 ,题目为“试论一种新的能量观 ”以下统 称新 文. 该文作者们建议使用“能量载体 ”的概念来代替“能量形式 ”. 立论新颖 . 但我多处看不明 白 . 不揣冒昧 ,写一篇读后感如下 ,敬请指正 .能量具有不同的形式 ,现今在物理学界 ,包括 大师 、教师 、学生 ,已成公认的定论 . 例如 ,赵凯华 、罗蔚茵的物 理学 教 材力 学 (二 ) 2. 2 段 就 写着“能量是物 理学 一 个极 为 普

2、遍 、极 为 重 要 的 物 理 量 ,它具有 机 械 能 、热 能 、电 磁 能 、核 能 等 多 种 形式 . 虽然我们不能给能量下一个普遍的定义 ,但这绝不意味着它是一个可以随意延拓的含糊概念 ”. 在新 文所列的参考文献 2 那本著名教材的后 续改版 Fundam en ta ls of Physic s6 th ed ( 2001 ) 的7 21 节 就 写 有“ ene rgy is a sca la r quan tity tha t is a ssoc ia ted w ith a sta te ( o r cond ition) of one o r mo reob jec

3、ts. A nd it com e s in a grea t m any fo rm e s ( o r typ e s) . In fac t, the te rm ene rgy is so b road tha t a c lea r defin ition fo r it is d ifficu lt to w rite and th isdefin ition is too vague to be of he lp to u s”.关于能量和能量形式的说法或概念和理论 , 从 1686年莱布尼兹提出“活力 ”即今“动能 ”的概 念以来 ,普遍的能量和能量形式的概念已经建立 、发展

4、、兴盛“统治 ”了物理学三百余年 ,“对改进物理教学和推动物理学自身的发展 ”曾起过并正在 起着非常重要的积极作用 ,在现今的物理教材中它们都有正确的明明白白的阐释 . 但今天的“新能量观 ”者们在新 文中说 : “在仔细地分析了一下 之后 ,不难地发现了 ,用能量形式 ( ene rgy fo rm )的学 , 而使用“能量载体 ”这一“科学含义精确 、表述通俗易懂 ”的 概念 来代 替 这 一 概 念 . 这 是 什 么 逻 辑 ? 合乎科学道理吗 ?下面让我们来看“有利于反映能量的本质的 概念能量载体 ”是什么意 思. 作者 们 的回 答是“随能量一起流动的物质型物理量 ”. 那么 ,什

5、么又是“物质型物理量 ”呢 ? 新 文第二节说是为了 反映物理广延量如质量 、动量 、物质的量 、电荷量 和熵 等 的 共 同 特 点 而 采 用 的 一 种 物 质 模 型( sub stance mode l) , 即 把 这 些 量 想 象 成 一 种“物质 ”并起名为物质型物理量 ( sub rtance2 quan tity) .还明确指出 ,这里所说的物质严格意义上应该是 指连续介质 ,即一种不考虑物质分子之间实际存在的空隙而连续分布在空间的假想物质 . 看了这 一段 ,大家一定会达成以下共识 : 即所谓“物质型 物理量 ”是把广延量想象成一种假想物质而给它起的名字. 这也就是说

6、,新 文所定义的“能量载体 ”“概念 ”并不代表任何自然界客观实质 ! 这一 定义使我即时想起了曾在先能量时代 18 世纪流 行而后来被 正 确 地 用“能 量 ”概 念 取 代 了 的“热 质 ”“概念 ”. 上述定义的“能量载体 ”和“热质 ”“概念 ”何其相似啊 ! 不过 , 上列质量 、电荷和熵等词都已经有确切的物理含义 ,再把它们拉来作为假 想物质重新命名怕未必合适.接着 ,新 文讨论了物理量的守恒问题 ,讨论 强度量的守恒问题当然是不正确的. 对于物质型 物理量 , 文 中 说 ,“有 些 (如 电 荷 量 ) 始 终 是 守 恒的 . 然而 ,另一些物质型物理量 , 其守恒是有条

7、件的 . 比如物质的量 ( amoun tof sub stance ) ,只有在不 发生化学反应的条件下才是守恒的 . (但是 ,又该在形式 ”. 这 几 句 话 似 乎 在 支 持“旧 能 量 观“. 例著名的物理教科书里 ”能量形式这个概念本身的如 ,一个自由落体系统 (包括地球 M 和落体 m ) ,其能量就可写成 m v2 / 2 + m gh, 前者为动能 , 后者 为势能 ,明明白白 . 但新 文紧接着说 ,“可惜 ,许多物理系统不允许做这样的能量分解. 事实上 ,任 何能量转换装置 (刚才讲的是“物理系统 ”) 的能量函数一般都是不可分解的. 各种热力发动机将热量 T dS 转

8、换为功 - pdV , 他们的能量函数中的自 变量 (刚才讲的是“能量函数 ”) S 和 V 都不能够做这种分解. ”这几句话似乎是否定“旧能量观“的.但上面已说过 ,把热量和功戴上“能量 ”的帽子 ,是 一项概念错误呀 ! 文章怎么这样难懂呢 ?再来看下面说些什么. 在肯定了上述分类法“更加简便 ”之后 ,又说 ,“我们并不赞成把由此而区 分开来的各种能量流 (而不是能量 ! ) 称为不同的能量形式 ”(这不是否定了前面自己提出的分类法了吗 ?! ). 为了说明“能量具有不同形式 ”这一说 法究竟错在哪里 ,新 文以电荷为例提出不能根据 载体将电荷冠以不同的名称如电子电荷 、质子电 荷 、氯

9、离子电荷等. 这样容易使人误认为这些不同 的名称表示着不同的物理量 . 而事实上它们都仅 仅涉及一个相同的物理量 电荷. 所不同的只 是电荷的载体而非电荷本身. (不过也不能太绝对 了 ,因为质子电荷和电子电荷终究还是正负不相 同的 两 种 电 荷 ! 可 参 看 Pu rce ll, B erkeley Physics,E lectricity and M agnetism , 2nd ed ( 1985) , Sec. 1. 1 , p3. )因此这样的名称就是错误的 ,不应该用 . (现在物理含义就“相当模糊 ,接近于日常生活用语 ”之后 ,讨论起“将能量区分为各种能量流的方法 ”来 了

10、 . 在未给出任何实验证据的情况下 ,说“经验 (作为介绍新观念的文章 ,应该先告诉大家这些经验 是什么 ,来自什么试验或活动 ) 告诉我们 ,能量从 不单独流动 ,它总是与至少一个其他物质型物理量相随着 一 起 流 动 ”. “这 其 实 是 一 条 自 然 规 律( ? ) . 并 且 以 大 师 Gibb s冠 名 写 出 了 一 个 数 学 公 式 . 为解释这个公式 ,举的例子有 : 能量流与电荷流同时 流 经 导 线 而 进 入 电 炉 ; 能 量 与 物 质 的 量 (“燃油和氧气 ”, (这两样化学物质也是“物质型 物理量 ”吗 ? )一起流入汽车发动机 ;能量与熵相伴 同时流

11、过房屋的墙壁 ,等等 . 在这种情况下 , 人们 (是指作者们吧 )通常根据与能量一起流动的 (这 里是否有意去掉了“物质型 ”三 字 ? ) 物理 量 来谈论能量采取这样或 那样 的“形 式 ”进 行传 输 或转 换 . 在上面的例子中 ,人们 (还是指作者们吧 ? ) 分别把这些不同形式的能量称作为电能 、化学能和热 . 这就是新 文建议的新的能量分类方法和能 量观 : 根据与能量一起流动的其他物理量来命名能量的“形式 ”. 绕了这么大弯子 ,引入了个被定义为“物质型物理量 ”的假想连续介质 , 并根 据“经 验 ”拉大师 Gibb s写了“一条自然定律 ”的公式 ,才得出了这样一个方法和

12、观点. 我看了几遍并反复思考体会 ,最后发现这一命名法实质上不过是本 文开头介绍的现在大家正用的以载体命名的方法的“盗版 ”,除了能量载体的意义不同和只用于能“能量 ”定名的客观实在. 能量 ( ene rgy) 虽然至今还没有清晰的定义 ( c lea r defin ition)但科学家们发 现 ,能量总是和实际的物体或物质同时同地出现 , 而且和特定物体或物质相联系的能量的大小或多 少可以用标志该物体或物质 (不管运动与否 )的状 态特征的物理量构成的公式计算出来. 例如 m v2 /语来替代它比较好呢 ? 作者们回答说 : 回顾一下前面关于电荷的讨论 ,就立即呈现在我们面前 ,那 就是

13、使用“能量载体 ( ene rgy ca rrie r) 来取而代之. 我们可以说 ,随同能量一起流动的那个物质型物 理量“运 载 着 能 量 流 动 , 它 是 一 种“能 量 载 体 ”. “为了论证“能量载体 ”的“概念 ”的合理性 , 作者 们又一次提出了那个普适命题 : “当某种东西只 是更换其载体而它自身并没有发生变化时 , 谈论 这种东西的形式显然是不合理的 . ”并以煤的远程 运输为例佐证此命题的正确. 可是 ,为什么不能根 据例如 ,井 、河道 、形成湖 、海的地形构造等把这些 不同“载体 ”所载的“自身并没有变化的 ”水以井 水 、河水 、湖水 、海水这样的称呼来区别它们并

14、说 是“形式 ”不同呢 ? 这也“显然 ”不合理 、并容易使 你们发生对水的认识的“误导 ”而应该被废弃吗 ? 普通老百姓能赞同这种观点吗 ? 生活用语也自有 真理在 !“新 ”文在定义了“能量转载体 ”(就是我们常 说的换能器 )之后 . 说道 ,“在日常生活和技术环境中 ,到处都充满着能量转载体的例子 . 比如 , 在电 灯泡里 ,能量从 (这里作者们省略了冠词“能量 ” 二字 , 下 面 几 例 同 此 ) 载 体“电 荷 ”转 载 到 载 体 “光 ”上 ;在电动机里 , 能量从载体“电荷 ”转载到 载体“角动量 ”上 ; 在发电站里 ,能量从载体“物质 的量 ”转载到载体“电荷 ”上

15、 ; 在热机里 ,能量从载体“熵 ”转载到载体“角动量 ”上 ”. 这些能量转换 的事实 ,用“旧能量观 ”表述 ,是 : 在电灯泡里电能 转化为光能 ; 在电动机里 ,电能转化为动能 ; 在发 电站里 ,热能转化为电能 ; 两相比较 , 哪种描述更 简洁明确 ,清晰易懂 ? 至于哪种描述的科学含义 更精确 ? 我的意见 是 : 我们 所讨 论 的问 题 , 用传统的 或 旧 能 量 观 的 语 言 , 根 本 上 是 自 1686 年 以 来 ,科学家们包括莱布尼兹 、伦福特伯爵 、焦耳 、爱 因斯坦等 ,发现自然界普遍存在着一种以物理量22, m gh, n iR T / 2,0 E /2 , . . . 等计算出来 . 物体或物质 和能 量的 这 种联 系使 得 前者 可称 为 后者 的载 体 . (请 注 意 这 里 的 载 体 和新 文 中 的“能 量 载 体 ”概念完全不同 ! )于是引入了“能量形式 ”的概 念来表明能量可以有不同的载体 ,并启用了具体 的名 称 如 动 能 、重 力 势 能 、热 能 、电 (场 ) 能 、磁 (场 )能 、光能 、核能等名称 . 要注意的是 ,各种物理教材中一再强调根据众多实验 , 包括论福特的镗 炮筒活计 ,各式焦耳实验 ,证明 , 各种