动量守恒和能量守恒的本质是什么?

920 2023-03-10 12:21

动量守恒和能量守恒的本质是什么?

动量守恒定律和能量守恒定律是自然界中的两条基本物理定律,相信大家对此并不陌生,物理课上同学们都用它们来解过不少习题。然而,大家是否思考过,为什么它们会守恒呢?守恒背后体现了自然界的什么基本原理?
下面就来看一下吧。
首先看一下动量。动量的定义是质量与速度的乘积,这是人们定义的一个反映物体的运动总量的概念。它看起来比较直观、很容易理解,因为很明显不能只拿速度当作衡量物质的运动量的标尺,而必须同时考虑到质量。因为,一个缓慢移动的星球比一粒快速移动的灰尘显然具有更大的动量。
那么,再来看动量的另一边。动量的变化等于力与时间的乘积,那么,如果以一个静止的物体作为参考系,就可以发现所谓的动量其实是物体所受到的力在时间上的积累,静止的物体因为受到持续的力而获得初始动量,运动的物体也因为受力而相应改变动量。那么,由于力的作用是相互的,作用力与反作用力大小相等、方向相反,而作用时间又肯定是相同的,那么,施力方所损失的动量也必然与受力方所获得的动量相同,因此这个系统的总动量也必然守恒。
因此,动量守恒定律反映的是两点规律:一是牛顿定律中的作用力与反作用力的关系;二是时间的一致性。
再来看一下能量。能量的定义有很多,不同的能量形式有不同的定义,但都表现为物体做功的能力。在此处,我们只以动能的形式为例进行分析。在动能中,能量是质量与速度平方的乘积再除以2,抛开系数不管,可以发现,其实能量就是在动量基础上又加上了一个速度的乘积。这时,其左边就变为了力与距离的乘积。那么,同样可以发现,能量其实是力在空间上的积累。同样,由于力和空间的一致性,在力的作用期间,一方损失的
能量也必然等于另一方所获得的能量,从而使得系统总的能量守恒。
因此,能量守恒反映的也是两点规律:一是牛顿定律中作⽤⼒与反作用力的关系;二是空间的一致性。
对于其他不同的能量形式,也仅仅是运动形式和表象的不同,比如电能是大量电子的定向流,热能是物体内部微粒的无规则运动等等,因此也必然符合能量守恒定律。在这里,还可以对势能做进一步分析。势能表现为低能区向高能区的运动,我们会发现,这其实是力在空间上积累的更加直观的一种形式,只是这种力的积累带来的能量被储藏起来了。
讨论至此,我们会发现,两个守恒定律的本质实际上是力的作用过程中,施力方和受力方经历了一致的时间和空间的直接反映。动量守恒的理解较为简单,因为其形式单一;能量守恒的理解困难一些,因为能量随物体运行形式的不同而表现得非常不同,但本质上都是力在空间上的积累。看透了运动的本质,也就能很好地理解为什么能量会守恒了。

 

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